Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0002

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0002
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Название доклада
Рентгеновская и электронная спектроскопия с разрешением по времени с использованием лазеров на свободных электронах
Докладчик
Солдатов Александр Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка и внедрение новой уникальной методики -рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением (вплоть до фемтосекундного диапазона) в рамках создания научно-технического задела с применением Европейского лазер на свободных электронах (проект XFEL) в рамках сотрудничества с научно- исследовательскими организациями и университетами Федеративной Республики Германия и российско- германского Института Иоффе-Рентгена. Проведение на базе этой и дополняющих ее рентгеноспектральных методик на установках мега-класса – источниках синхротронного излучения, исследований динамики электронной и атомной структуры новых перспективных материалов.
Актуальность и новизна исследования
Развитие принципиально новых технологий и материалов существенно сдерживается тем фактом, что большинство имеющихся в настоящее время методик исследует статические свойства материалов (в том числе их атомную и электронную структуры, которые определяют большинство важнейших потребительских свойств перспективных материалов). Измерения проводятся в течение секунд, минут и даже часов, поэтому получаемые данные являются усредненными показателями, не позволяющими оценить динамику процессов. В то время как некоторая часть важнейших процессов как перенос заряда с атома на атом, образование химической связи, фотовозбуждение атомов и наночастиц, переходы электронов с одного квантового уровня на другой происходят в диапазоне миллионных, миллиардных и более высоких степеней долей секунды. Поэтому открываемые новым поколением уникальных научных установок – лазерами на свободных электронах – возможности проведения исследований в фемтосекундном диапазоне разрешения по времени несомненно приведут исследователей в пониманию новых фундаментальных закономерностей динамики атомной и электронной структур материалов, что откроет пути для сознания в том числе и принципиально новых технологий и материалов с уникальными свойствами. Все вышесказанное однозначно определяет высокую актуальность настоящего проекта именно в данный период, когда заканчиваются подготовительные работы по запуску Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах
Описание исследования

Целью работ четвёртого этапа (2016 год) является рентгеноспектральная диагностика образцов с помощью синхротронного излучения. Объектами исследования являются графен, сверхпроводники и топологические изоляторы, фотоактивные 3d металлоорганические комплексы, оптически и магнитно активные наночастицы, каталитически активные поверхности на основе d-переходных металлов. Проведена рентгеноспектральная диагностика дефектов в графене, сверхпроводников и топологических изоляторов, фотоиндуцированных структурных превращений 3d металлоорганических комплексов, фазового состава оптически и магнитно активных наночастиц, дефектов на каталитически активных поверхностях на основе d-переходных металлов с помощью синхротронного излучения в том числе с временным разрешением, что стало возможным благодаря уникальным свойствам накопительных колец источников СИ. В частности - это высокая яркость и интенсивность излучения, а также его импульсный характер, обусловленный квазипериодической структурой заполнения электронами накопительного кольца.

Выполнены измерения рентгеновских К-эмиссионных и абсорбционных спектров углерода и дефектов в допированных плёнках графена. На основе сопоставления теории и эксперимента сделан вывод о существовании в пленках графена, допированного азотом трех типов дефектов: graphitic, pyridinic, nitrilic-like с доминированием дефектов замещения (graphitic). 

Методом EXAFS-спектроскопии выше K-Se и K-Fe краев поглощения исследована локальная кристаллическая структура сверхпроводящих порошков халькогенидов железа FeTexSe1-x (x = 0.1; 0.22; 0.49; 0.8; 0.9), приготовленных методом сухого синтеза (без минерализатора) в диапазоне температур 80 – 300 K. Получены зависимости длин межатомных связей Se‑Fe, Fe-Te и Fe-Fe и степени их локального разупорядочения (факторов Дебая-Валлера) от содержания теллура и температуры. 

Проведено исследование динамического процесса окисления/восстановления поверхности платины в ходе каталитической реакции окисления угарного газа. Была использована как чистая поверхность Pt(111), так и ультрадисперсные наночастицы платины, нанесённые на пористый диоксид церия. Был предложен метод регистрации спектров поглощения с миллисекундным временным разрешением, которые позволил определить влияние температуры, скорости потока, положения в реакторе на характер и динамические характеристики процесса каталитической реакции.

Отлажена методика исследования структурных превращений 3d металлорганических комплексов при фотовозбуждении на серии объектов, включающих в себя каталитически активные комплексы коалоксима, никеля, фотопереключаемые молекулы спиропиранов кобальта и цинка. Проведён численный анализ процессов фотовозбуждения растворов молекул при облучении фемтосекундными лазерными импульсами и даны оценки концентраций основного и возбуждённого состояний молекул для различных систем и работающих экспериментальных установок (комбинация фемтосекундный лазер+синхротронное излучение). Впервые была идентифицирована структура кобалоксима Co-I в многокомпонентной фотокаталитической системе расщепления воды. Определён механизм деградации молекулярных катализаторов, заключающийся в образовании металлических кластеров кобальта на поверхности стеклянного капилляра.

Уникальность полученных результатов на четвёртом этапе проекта обуславливается использованием передового оборудования ведущих мировых и отечественных синхротронных центров и команды специалистов высокого уровня. Так, например, были использованы источники синхротронного излучения ESRF, Petra-III, APS, Курчатовский синхротронный центр, SLS. Измерения проводились с высоким энергетическим разрешением, а в отдельных случаях и временным разрешением, используя импульсный характер излучения от электронных сгустков в накопительном кольце. Полученные статические данные об атомном и электронном строении материалов будут расширены на последующих этапах проекта в область с высоким временным разрешением. Это окажет влияние на области фотохимии, поверхностных каталитических реакций, контролируемых световых переключений квантовых объектов, сверхбыстрого размагничивания. Область применения полученных результатов за этап - синтез и синхротронная диагностика в режиме in-situ перспективных материалов для фотоники, квантовой электроники, фотопереключателей и катализа.

 

Результаты исследования

Германскими партнерами завершается разработка и изготовление аппаратуры для уникальной методики рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением в рамках создания научно-технического задела с применением Европейского лазера на свободных электронах (проект XFEL). В своем классе (для жесткого жиапазона рентгеновского излучения) эта установка не будет иметь мировых аналогов.

Российская сторона завершает разработку элементов и программу тестирования методики рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением (вплоть до фемтосекундного интервала) с применением Европейского лазера на свободных электронах (проект XFEL). По своим характеристикам эта методика будет превосходить все имеющиеся мировые аналоги для жесткого рентгеновского диапазона.

Проведен синтез новых перспективных материалов, для которых динамика наноразмерной атомной и электронной структур играет определяющее значение в формировании их технологически значимых характеристик. Синтезированные материалы соответствуют высокому мировому уровню по своим физико-химическим характеристикам.

Проведены предварительные исследования комплиментарными рентгеноспектральными методами (RIXS, XES, XAFS) перспективных материалов, которые будут исследоваться с применением разрабатываемой методики рентгеновской̆ фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением.

Осуществляется подготовка российских специалистов для использования методики рентгеновской̆ фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением на европейском рентгеновском лазере на свободных электронов. 

Практическая значимость исследования
Разработанная методика (на основе установленных новых фундаментальных закономерностей̆ поведения атомной̆ и электронной̆ структур материалов с фемтосекундным временным разрешением) позволит целенаправленно разрабатывать принципиально новые материалы для высокотехнологичного сектора российской̆ экономики, включая такие области как нанотехнологии, квантовые вычисления, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, фотовольтаика, фотокатализаторы, графеновая электроника, высокотемпературные сверхпроводники. Кроме того будет исследовано поведение материалов при экстремальных воздействиях.
Потребителями результатов будут научно-исследовательские организации и предприятия высокотехнологичного сектора российской̆ экономики которые целенаправленно занимаются разработкой̆ и производством принципиально новых материалов для такие областей̆ как нанотехнологии, элементная база для квантовых вычислений, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, материалы и устройства фотовольтаики, разработка фотокатализаторов, элементов графеновой электроники, высокотемпературных сверхпроводников.