Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. В нанопустотах пористой матрицы, представляющей собой плотноупакованные наборы шаров из аморфного кремнезема с диаметром 260 нм, впервые получена наноструктура на основе сплава Ga-In ( 94at.%Ga, 6 at.%In). Жидкий при комнатной температуре сплав вводился в нанопустоты с характерным размером около 100 нм под давлением 10 кбар. С помощью исследований, проведенных методом ЯМР, установлено, что в такой наноструктуре при кристаллизации сплав распадается на компоненты, в результате чего стабилизируется фаза галлия (β-Ga ), которая является неустойчивой в массивном сплаве, т.е. в наноконфайнменте образуется новая кристаллическая структура с развитым интерфейсом, отличная от исходной. Установлена температурная область, в которой происходит кристаллизация наночастиц, определены значения изотропного сдвига и квадрупольной константы. Из результатов измерения температурной зависимости скорости ядерной спин-решеточной релаксации галлия рассчитано изменение с температурой времени корреляции атомного движения и оценена энергия активации. 2. В системе нанопустот пористого стекла с характерным диаметром наноканалов 7 нм с помощью введения из расплава под высоким давлением впервые получена наноструктура на основе тройного сплава Ga-In-Sn. Состав сплава был близок к эвтектическому: 77.2 at% Ga, 14.4 at%In, 8.4 at% Sn, температура плавления 283.7К. Комплексная динамическая намагниченность такой системы была измерена в температурном диапазоне 1.9-8К в магнитных полях до 5Т, что позволило определить сверхпроводящие свойства полученной наноструктуры. Было обнаружено разделение наноструктурированного сплава на две компоненты, критические температуры сверхпроводящего перехода которых (5.6 и 3.1К) отличаются от критической температуры массивного сплава ( 6К). Такое поведение связывается с разделением многокомпонентного сплава в наноконфайнменте на интерметаллическое соединение In3Sn и твердый раствор индия с небольшим количеством галлия и олова и позволяет надеяться на возможности получения таким методом новых многокомпонентных наносистем с развитым интерфейсом. 3. В качестве модельного объекта для возможного использования в пористых матрицах электрохимических методов получения нанообъектов рассмотрены гибридные наноструктуры, формируемые на интерфейсе графена с ансамблями молекулярных ионов в графеновых полевых транзисторах с жидкими затворными изоляторами, которые считаются перспективными для создания химических и биологических сенсоров. Предложена модель, описывающая зависимости подвижности носителей заряда в таких наноструктурах от плотности интерфейсных молекулярных ионов. Полученная зависимость, предполагающая слабую связь свободных носителей с интерфейсными ионами для короткодействующих сил рассеяния, удовлетворительно описывает экспериментальные транзисторные характеристики. Из научных результатов, запланированных на 2021 г. в заявке на участие в конкурсе, получено следующее: 1. Впервые синтезированы наноструктуры ферромагнетиков (CrO2 и Ni) в нанопорах пористого стекла с диаметрами 7 нм в объемах, которые позволяют применить для их исследования все имеющиеся в распоряжении ресурсного центра СПбГУ методики. Обнаружено, что образцы, содержащие никель, на воздухе довольно быстро окисляются до окиси никеля, являющейся антиферромагнитным материалом. Проведены тестовые измерения свойств полученных новых материалов, прежде всего, подтверждающие существование в них ферромагнетизма и соответствующего фазового перехода. 2. Впервые в пористых стеклах с диаметрами 7 нм получены гибридные наноструктуры, в которых перемешаны ферромагнитные и сверхпроводящие наночастицы. Сверхпроводящая компонента добавлена в наноструктуры с синтезированными в них химически ферромагнитными наночастицами (были использованы ферромагнитные материалы CrO2 и Ni) с помощью введения из расплава под высоким давлением сверхпроводящего металла индия. Были выполнены первые измерения как магнитных, так и резистивных свойств полученных объектов, которые продемонстрировали, существование в них сверхпроводящего перехода, температура которого несколько отличается от критической температуры сверхпроводящего перехода массивного индия. Обнаружено увеличение критического магнитного поля, характерное для наноструктурированных сверхпроводников, а также некоторое размытие сверхпроводящего перехода по температуре, возможно связанное с низкоразмерностью полученного объекта.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С помощью двухстадийного заполнения нанопустот пористых диэлектрических матриц материалами с существенно разными физическими свойствами впервые получен ряд наноструктур, в которых наночастицы разных по составу веществ перемешаны и имеют большую площадь взаимного интерфейса ( до десятков и сотен м2 в образце), что представляет интерес для изучения взаимного влияния фазовых переходов разного рода друг на друга в наноструктурированных системах. В частности, в нанопустотах пористого стекла получены композитные системы из ферромагнитного материала никеля и сверхпроводящего материала индия с размером частиц около 7 нм, из ферромагнитного материала CrO2 и сегнетоэлектрического материала NaNO2, ферромагнитного материала CrO2 и металла Ga. Предварительные исследования физических свойств полученных наноструктур показывают возможность сосуществования в них сверхпроводящего и ферромагнитного упорядочения, изменение диэлектрических свойств сегнетоэлектрического материала при его взаимодействии с ферромагнетиком, возможность образования в нанообъемах метастабильных в обычных условиях кристаллических фаз. Также продемонстрировано, что новые наноструктуры подобного типа с развитым интерфейсом разнородных материалов могут быть получены с помощью введения многокомпонентных сплавов в нанопустоты пористых матриц с последующим их распадом на отдельные компоненты, имеющие неодинаковые физические свойства. Так эвтектический сплав GaAg в нанопустотах пористого стекла распадается на три фазы, обладающие различными критическими температурами сверхпроводящего перехода (7.05К, 6.08К, 2.65К), эвтектический сплав Ga-In-Sn (75% at. Ga, 17% at. In, 8% at. Sn) в переохлажденном состоянии около 220К имеет фазовый переход жидкость-жидкость, демонстрирующий разделение на разные фазы в нанообъеме даже жидкости ( фазы отличаются друг от друга плотностью). С помощью исследования малоуглового рассеяния нейтронов на образцах содержащих сплав Ga-In в нанопустотах синтетического опала и пористого стекла с диаметрами пор 18 нм впервые непосредственно определены геометрические параметры распавшегося сплава, представляющего собой сверхструктуру с периодом, зависящим от соотношения компонентов сплава ( 9 нм для сплава 96%Ga, 4%In и 12нм для сплава 94%Ga, 6%In). Для исследования возможностей получения систем с развитым интерфейсом на основе электрохимических методов предложена модель, согласующаяся с экспериментальными данными и описывающая селективный отклик создаваемых на основе графена химических и биологических сенсоров. Модель описывает зависимость отклика от квантовой емкости графена и от подвижности в нем носителей заряда, показывает, что он мал для затворных напряжений вблизи минимума проводимости графена (точка Дирака) и возрастает с увеличением напряжения на затворе до пороговых значений, близких к емкости двойного слоя.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В системе нанопустот диэлектрических пористых матриц ( искусственные опалы, пористые стекла, пористая окись алюминия) впервые получены новые виды наноструктур из различных сплавов ( галлий-олово, галлий-индий, галлий-индий олово), а также двухкомпонентные наноструктры, содержащие перемешанные наночастицы из ферромагнитного материала (никель) и сверхпроводника (индий). Сплавы вводились в нанопустоты под высоким давлением (до 20 кбар) из расплавленного состояния, а двухкомпонентные системы получались из предварительного химического синтеза ферромагнетика (который невозможно расплавить из-за высокой температуры плавления) и последующего заполнения оставшегося пустым нанопространства расплавом легкоплавкого индия под высоким давлением. При исследовании температурной зависимости намагниченности ( для сплава галлий-олово в искусственном опале) было обнаружено при низких температурах разбиение однородного сплава на двухкомпонентную систему наночастиц с различными кристаллическими модификациями, обладающими различными критическими температурами сверхпроводящего перехода, которое было подтверждено рентгеновскими данными. Существование подобного процесса разбиения однородных по составу сплавов на двухкомпонентные наносистемы с большим взаимным интерфейсом было также установлено при исследовании малоуглового рассеяния нейтронов в наноструктуре, полученной при введении в нанопустоты пористого стекла с диаметрами пор 23 нм сплава индий-галлий. Анализ полученных данных привел к выводу о том, что в твердом сплаве индия с галлием образуются кристаллические наночастицы, обогащенные индием, причем накопленный массив информации позволил определить их форму и размер.Было установлено, что обогащенные индием кристаллические наночастицы имеют форму эллипсоидов ( с полуосями 17 нм и 5.3 нм), случайным образом расположенных в нанопорах. Образование такого вида сегрегатов с различной кристаллической структурой было также подтверждено при исследовании процессов плавления и затвердевания в сплаве галлий-серебро, введенном в нанопоры пористого стекла (диаметр нанопор 13 нм), выполненном с помощью проведения акустических измерений ( были измерены температурные зависимости скорости продольных ультразвуковых волн импульсно-фазовым методом на частоте 7МГц). Таким образом, введение легкоплавких сплавов в нанопористые среды представляется одним из возможных методов получения многокомпонентных наноструктур с большим взаимным интерфейсом (см. https://www.akm.ru ; информационное агенство AK&M, пресс релиз 01.11.2023. 12:35, "В СПбГУ выявили перспективность сплава серебра и галлия для гибкой микроэлектроники"). По исследованию многокомпонентных наноструктур, полученных с помощью химического синтеза были изготовлены образцы пористого стекла, содержащие одновременно и частицы никеля (ферромагнетик), и частицы индия (сверхпроводящий металл) и исследованы их сверхпроводящие свойства. Температурные зависимости намагниченности продемонстрировали наличие слабого ферромагнетизма и его сосуществование с сверхпроводимостью. Петли гистерезиса в температурной области сверхпроводимости нанокомпозита позволили определить значения критических полей, которые оказались значительно меньше критических полей для пористых матриц, заполненных только индием ( в 10 раз меньше, чем у опаловой матрицы, содержащей индий, и в100 раз меньше, чем у пористого стекла, содержащего индий). Критическая температура такой двухкомпонентной системы (3.405К) также оказалась достаточно близкой к критической температуре массивного индия. В целом магнитные свойства нанокомпозита в сверхпроводящей фазе согласовывались с поведением сверхпроводников второго рода со слабым пиннингом. Обнаружены также сдвиги ветвей намагниченности на изотермах М(Н), направление которых зависело от направления изменения поля, которые возможно связаны с проявлением обратного и электромагнитного эффектов близости. Таким образом, в многокомпонентной наноструктуре было обнаружено воздействие одной компоненты на другую. Впервые были получены наночастицы никеля, т.е. однокомпонентной ферромагнитной структуры в пористом стекле и продемонстрировано наличие в ней ферромагнетизма. Впервые была использована для химического синтеза наночастиц новая матрица пористая окись алюминия, и в ней получены наночастицы никеля и индия. В системе наночастиц натрия, введенного в пористое стекло с диаметром пор 23 нм под высоким давлением с помощью измерений ЯМР обнаружено существенное ускорение спин-решеточной релаксации по сравнению с массивным натрием. При исследовании транзисторных систем на основе графена была предложена модель емкости двойного электрического слоя, включающая последовательное включение емкости аккумулирующего слоя и емкости между этим слоем и электродом. В случае интерфейса графена с водными растворами такая модель предсказывает существенное влияние свойств электрода на общую емкость системы, что было проверено экспериментально. Модель предсказывает верхний предел емкости, которая может быть достигнута в таких системах, ее оценка дает величину около 18µF/cm2 ( см.https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor, ;Ссылка [27], Butko, Alexey V.; Butko, Vladimir Y.; Kumzerov, Yurii A. (2023). "General Capacitance Upper Limit and Its Manifestation for Aqueous Graphene Interfaces". International Journal of Molecular Sciences. 24 (13): 10861).