Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Отчетный период был посвящен проведению комплекса научно-исследовательских работ, направленных на создание и исследование нанопорошков на основе диоксида циркония (ZrO₂) в плазме дугового разряда низкого давления. Рентгеноструктурный анализ показал, что образование кристаллических фаз зависит от рабочего давления в вакуумной камере и концентрации O2. При снижении давления (и концентрации O2) доля тетрагональной фазы увеличивается с 11 до 53 %. Устойчивость тетрагональной фазы объясняется наличием вакансий ионов кислорода в ZrO2. При высоком давлении преобладает моноклинная фаза, тогда как снижение давления способствует росту тетрагональной фазы. Изменение кристаллической фазы связано с кластерной химией конденсации паровой фазы, где ионы циркония реагируют с атомами кислорода, образуя Zr-O, которые становятся центрами кристаллизации. Кинетика реакций, таких как диффузия кислорода, существенно влияет на фазовые превращения. Большая поверхностная энергия наночастиц ZrO2 создает термодинамический барьер для перехода t→m, сохраняющего t-фазу при комнатной температуре. Полученные экспериментальные результаты наглядно свидетельствуют о качественном различии порошков, полученных при разных давлениях газовой смеси в вакуумной камере. Синтезированные наночастицы при давлении газовой смеси 180 Па имеют очень большой диапазон размеров от 30 нм до 1 мкм. Полученный нанопорошок ZrO2 при давлениях газовой смеси (130, 80 и 30 Па) представляет собой сильно агломерированные частицы сферической формы. Размеры частиц варьируются в диапазоне от 2 до 32 нм. Самые крупные частицы образуются при давлении газовой смеси 130 Pa. Представлены РФЭС-спектры Zr 3d и O 1s нанопорошков оксида циркония (образцы N3, N3-1, N3-2), полученных при различном парциальном давлении кислорода. Энергия связи откалибрована по пику C 1s (284,8 эВ). На обзорном спектре наблюдается пик C 1s около 285 эВ, что может указывать на загрязнение углеродом. В диапазоне 180–185 эВ выделяются пики, связанные с атомами Zr. Энергия связи Zr 3d5/2 металлического циркония составляет 179 эВ, а сдвиг до 182 эВ указывает на образование оксида ZrO2. Разница в энергии связи Zr 3d5/2 между образцами 3-1 (181,6 эВ) и 3-2 (182,9 эВ) может быть связана с кислородными вакансиями. Пик O 1s (530 эВ) также сдвинут, что указывает на образование оксида, а выраженное плечо на спектре образцов N3 и N3-2 свидетельствует о присутствии кислородных вакансий." Методом ИК-спектроскопии установлено, что на всех образцах наблюдается полоса поглощения вблизи 3408 см-1, 1626 см-1 и 1384 см-1 относящаяся к валентным колебаниям связанных ОН-групп. Слабое поглощение в области 2955 см-1, 2923 см-1, 2854 см-1 и 1466 см-1 обусловлено наличием в образцах валентных колебаний C-H. На спектрах присутствуют характерные для ZrO2 полосы поглощения, в области 739 см-1 и 588 см-1, обусловленные валентными межатомными колебаниями кристаллического остова. В нашем случае наблюдаются валентные колебания связи Zr-O в наночастицах, полученных при давлениях в реакционной вакуумной камере при 30 и 80 Па, при частоте 1048 см-1, что свидетельствует о недостатке кислорода в наночастицах ZrO2. Представлены термограммы нанопорошка ZrO2, полученного при различных давлениях газовой смеси. До 100 ºC наблюдается испарение воды. Свыше температуры 100 ºC и до 1200 ºC происходит увеличение массы образца на 10,9 %. Это связано с окислением субоксида Zr3O с широким экзотермическим пиком при максимуме 470 ºC, а также кристаллизации аморфной фазы диоксида циркония. При температуре 930 ºC наблюдается начало эндотермического пика связанного с переходом mt фазы ZrO2. Переход завершается при температуре 1150 ºC. Изучены ЭПР-спектры. На всех ЭПР-спектрах присутствует сигнал с g-фактором 1,96 парамагнитных дефектов (Т-центры – 4d-ионы Zr3+ в тригональном кислородном окружении). Кроме того, в спектре образца 4 появляется сигнал ЭПР с g-фактором 2,004, свойственный F+-центрам – электронам, стабилизированным в положительно заряженных кислородных вакансиях ZrO2. Поскольку методом ЭПР были исследованы свежеполученные образцы, не подвергавшиеся температурному или восстановительному воздействию, то обнаруживаемые Т- и F+-центры могли сформироваться только на этапе синтеза образцов, вследствие неравновесных процессов и высокоскоростной закалки в плазме дугового разряда низкого давления. Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре получены при возбуждении коротко-дуговой ксеноновой лампой с длиной волны 270 нм (4,59 эВ). В спектрах фотолюминесценции образцов наблюдаются пики в ближнем УФ-диапазоне, вызванные примесными состояниями в запрещенной зоне и связанные с кислородными вакансиями. На частотных зависимостях диэлектрической проницаемости ZrO2 обнаружены следующие особенности. Действительная часть ε'(ω) образца 30 Па на низких частотах приближается к ∼ 4∙104. Мнимая компонента демонстрирует степенное поведение ниже 105 Гц. Также наблюдается релаксационный пик на частоте ∼ 10 Гц. При этом наблюдается эффект переключения из состояния высокого сопротивления в состояние низкого сопротивления. Комплексная диэлектрическая проницаемость представляет собой вклад постоянного тока ε″∼ω−1 с наложенным на него релаксационным пиком. Образцы могут проявлять отрицательное сопротивление, контролируемое напряжением. Для образца, полученного при давлении 130 Па наблюдается снижение диэлектрической проницаемости ε″. Также заметно небольшое смещение релаксационного пика в направлении низких частот. Представлены ВАХ образцов, полученных при 30 и 130 Па. В образце, полученном при давлении 30 Па проявляется эффект переключения из низкоомного включенного состояния (low resistance state) в высокоомное выключенное (high resistance state) при напряжении около +5 В. В то время, как для образца, полученного при давлении 130 Па, эффект переключения отсутствует в области чувствительности прибора. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекта: https://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=e5125fa5-01db-43ab-9f31-d3690f38b04c https://scientificrussia.ru/articles/ucenye-usoversenstvovali-tehnologiu-proizvodstva-materiala-dla-zapominausih-ustrojstv-novogo-pokolenia https://inscience.news/ru/article/russian-science/uluchshena-tehnologia-proizvodstva-materiala-dlya https://news.rambler.ru/tech/53206106-rossiyskie-uchenye-sozdali-novyy-antibakterialnyy-gidrogel/ https://habr.com/ru/news/834200/ https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/news/tekhnologiyu-proizvodstva-materiala-dlya-zapominayushchikh-ustroystv-novogo-pokoleniya-uluchshili-v-/ https://www.ferra.ru/news/techlife/v-rossii-nashli-sposob-uluchshit-kachestva-zapominayushikh-ustroistv-06-08-2024.htm?utm_source=rnews https://kfaktiv.ru/tehnologiu-proizvodstva-materiala-dlia-zapominaushih-ystroistv-novogo-pokoleniia-ylychshili-v-sibiri-novosti-nayki.html