Паспорт проекта

Название проекта

Теоретическое материаловедение наноструктур

Руководители проекта

д.ф.-м.н., доцент Сорокин Павел Борисович

Цели проекта

Создание инфраструктуры, работающей в области теоретического исследования наноматериалов, проводящей самостоятельные исследования, а также обеспечивающей теоретическую поддержку экспериментов, проходящих в НИТУ "МИСиС" и зарубежных научных группах.

Задачи проекта

Расширение научного знания о неуглеродных наноматериалах, преимущественно двумерных, поиск новых устойчивых наноструктур, исследование условий их стабильности, электронных и магнитных свойств, а также изучение гетероструктур на их основе.

Уникальность проекта

Уникальность данного проекта состоит в непосредственном сотрудничестве с международными и российскими экспериментальными научными группами. Результаты теоретического исследования наноструктур, полученные российской частью научного коллектива, тесно интегрированы в экспериментальную деятельность международных лабораторий по всему миру. Такое сотрудничество оптимально со всех точек зрения и позволяет проводить исследования на мировом уровне.

Актуальность проекта

Актуальность проекта определяется расширением научного знания о различных двумерных наноматериалах, поиском новых наноструктур, исследованием их стабильности и свойств, а также изучением гетероструктур на их основе. Новая область двумерных материалов, основанная открытием графена, имеет значительные перспективы для фундаментальных исследований и практических приложений. На данных момент активно исследуются двумерные плёнки различного химического состава, имеющие широкий спектр различных свойств. Активность в этой области отражается в количестве публикаций – исследованиям неуглеродных двумерных плёнок посвящено большое число статей, а их исследованием занимаются ведущие группы по всему миру.

Оборудование

Для успешной работы научного коллектива в НИТУ "МИСиС" имеется вычислительный кластер, доступ к которому позволяет проводить теоретические расчеты по заявленной тематике на высоком уровне. Сотрудничество с международными научными группами также позволяет задействовать ресурсы наших коллег.

Мероприятия научного коллектива

В инфраструктуре проводятся международные научные семинары "Современное материаловедение", в которых принимают участие сотрудники различных научных институтов и вузов как из России, так и из-за рубежа (в том числе молодые ученые, студенты и аспиранты НИТУ "МИСиС" и прочих учебных и научных заведений).

Партнёрство и сотрудничество

Основной целью проекта является проведение совместных научных исследований с экспериментальными группами, что предопределяет наличие широкой сети сотрудничества с различными международными и российскими научными группами. Так, в выполнении проекта задействованы эксперименатльные и теоретические группы из Японии (JAEA), Южной Кореи (Kyungpook National University), Финляндии (Aalto University), Германии (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), США (Tulane University), Нидерландов (University of Twente) и др. Сотрудники инфраструктуры постоянно расширяют свои связи, принимая участие в семинарах, проводимых сторонними научными институтами, в качестве приглашенных ученых.

Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект – расширение научного знания о неуглеродных наноматериалах, преимущественно двумерных, поиск новых устойчивых наноструктур, исследование условий их стабильности, электронных и магнитных свойств, а также изучение гетероструктур на их основе. Данная проблема возникла в результате огромного интереса к новым двумерным структурам в наступившей постграфеновой эре. Это связано, прежде всего, со сложностями применения графена в полупроводниковой электронике, что заставило исследователей обратить внимание на неуглеродные двумерные материалы. Несмотря на значительные усилия в поиске двумерных структур с перспективными проводящими свойствами, текущий прогресс в этой области не позволяет говорить об обнаружении материалов, полностью удовлетворяющих потребностям современной науки и технологии. Действительно, наиболее интенсивно изучаемые представители семейства дихалькогенидов переходных металлов MoS2 и WS2 демонстрируют недостаточную подвижность носителей заряда, что снижает их перспективность применения в полупроводниковых устройствах. Дальнейшие поиски полупроводникового двумерного материала с высокой подвижностью носителей заряда пока не увенчались успехом. Поиск двумерных плёнок новых составов не ограничивается только полупроводниковыми структурами. Снижение размерности часто приводит к появлению новых физических эффектов, интересных и неожиданных с фундаментальной точки зрения и перспективных для дальнейшего приложения. Например, можно отметить графитизацию ионных плёнок в слабо связанные слои гексагональной симметрии за счёт появления дистабилизирующего дипольного момента. Или изменение электронных свойств MoS2 при изменении его размерности. Двухслойный MoS2 обладает свойствами непрямого полупроводника с величиной запрещенной зоны 1.6 эВ, однако, монослой MoS2 – это прямой полупроводник с еще большим значением ширины запрещенной зоны 1.9 эВ, демонстрирующий ярко выраженные фотолюминисцентные свойства, отсутствующие в объемной форме. Эффект смены типа перехода от непрямого к прямому при достижении толщины плёнки в один слой так же наблюдается в WS2 и других дихалькогенидах переходных металлов, таких как MoSe2, WSe2 и MoTe2. Перспективным представляется получение гетероструктур на основе двумерных материалов путем помещения 2D структур друг на друга. Так, гетероструктура, состоящая из графена, нитрида бора и дихалькогенидов переходных металлов, способна испускать свет со всей поверхности при пропускании через нее электрического тока, то есть представляет собой сверхтонкий и сверхгибкий светодиод. Важно отметить, что свойства гетероструктуры полностью зависят от типа и порядка расположения двумерных слоёв. Огромное число комбинаций слоёв в таких 2D гетероструктурах требует первоначального теоретического анализа, позволяющего проводить сложный экспериментальный синтез таких материалов с ясным пониманием свойств конечной структуры. Гетероструктуры, а также отдельные 2D плёнки могут быть использованы в качестве основы для устройств электроники нового поколения, спинтроники, фотовольтаики и др.

Основные результаты работы в 2015 году заключаются в следующем: 

- Исследованы магнетотранспортные свойства графеновых спиновых клапанов на основе пермаллоя. 
- Исследована индуцированная спиновая поляризация в однослойном графене в гетероструктуре графен/полуметалл (La0.7Sr0.3MnO3, LSMO). Разработана теоретическая модель, описывающая эффект индуцированной спиновой поляризация в гетероструктуре графен/LSMO; - Проведено исследование электронных свойств графена на различных подложках: 
- Предсказаны и синтезированы новые наноструктуры имеющие перспективы применения в электронике. Получены зависимости электронных свойств материалов от их размера, проведена оценка влияния размерного эффекта. 
- Исследованы новые эффекты в двумерные структурах, изучены особенности стабильности предсказанных ранее углеродных плёнок, предсказаны новые свойства графена - флексоэлектрический эффект. 
- Рассмотрены слоистые гетероструктуры на основе химически связанных слоёв MoS2, связывание в которых осуществлялось за счет атомов металлов находящихся между слоями. Оценены энергии связывания атомов металла между слоями MoS2. Проведено исследование изменения в электронной структуре химически связанных слоев MoS2.

1. Kvashnin A.G., Sorokin P.B., Yakobson B.I. Flexoelectricity in carbon nanostructures: nanotubes, fullerenes, nanocones // J. Phys. Chem. Lett. 2015, V. 6, P. 2740-2744. 


2. Bollman T.R.J., Antipina L.Yu, Reichling M., Sorokin P.B. Electronic modifications of mechanically exfoliated graphene by confined hydration layers // Nano Research 2015, V.8, №9, P. 3020-3026. 

3. Erohin S.V., Sorokin P.B. Elastic properties of nanopolycrystalline diamond: The nature of ultrahigh stiffness // Appl. Phys. Lett. 2015, V.107, P. 121904(3). 

4. Kvashnin D.G., Sorokin P.B., Seifert G., Chernozatonskii L.A.MoS2 decoration by Mo-atoms and MoS2-Mo-graphene heterostructure: a theoretical study // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, V.17, P. 28770-28773. 

5. Avramov P., Demin V., Luo M., Choi C.H., Sorokin P.B., Yakobson B. and Chernozatonskii L. Translation Symmetry Breakdown in Low-Dimensional Lattices of Pentagonal Rings // J. Phys. Chem. Lett. 2015, V. 6, P. 4525-4531 

6. Mikhaleva N.S., Visotin M.A., Popov Z.I., Kuzubov A.A., Fedorov A.S. Ab initio and empirical modeling of lithium atoms penetration into silicon // Comp. Mat. Sci. 2015, V. 109, P. 76-83 

7. Kvashnin A.G., Kvashnin D.G., Kvashnina O.P., Chernozatonskii L.A. Transport investigation of branched graphene nanoflakes // Nanotechnology 2015, V. 26, P. 385705 

8. Hu X., Björkman T., Lipsanen H., Sun L., Krasheninnikov A.V. Solubility of Boron, Carbon, and Nitrogen in Transition Metals: Getting Insight into Trends from First-Principles Calculations // J. Phys. Chem. Lett., 2015, V. 6, №16, P. 3263-3268

д.ф.-м.н., в.н.с. П.Б. Сорокин

д.ф.-м.н., зав. лаб. Д.В. Штанский

к.ф.-м.н., с.н.с. Л.Ю. Антипина

к.ф.-м.н., н.с. З.И. Попов

к.ф.-м.н. А.В. Крашенинников (Aalto University, Финляндия)

Dr. S. Sakai (JAEA, Япония)

Dr. S. Entani (JAEA, Япония)

Д. Г. Квашнин

Н.В. Артемова

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика