Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Получены фундаментальные результаты в области модификации поверхности ОГ и ДПМ для изменения их электронных и оптических характеристик, которые позволят применять их в качестве элементов фотоактивных сенсоров и элементов гибкой электроники. Отработаны методики модификации поверхности ДПМ. Изучено влияние ПАВ и механических методов получения на структуру и стабильность полученных растворов. Проведена модификация раствора MoS2 органическими молекулами F4TCNQ. На основе полученных спектров люминесценции можно судить о недостаточном связывании между молекулами F4TCNQ и поверхностью MoS2, и необходимости использования дополнительных промежуточных молекул медиаторов. Помимо образцов в растворе была отработана методика Ленгмюра-Блоджетт для нанесения тонких слоев MoS2. Созданные образцы микронного размера являются основой для гетероструктур органика/неорганика для сенсорных применений. Методами квантовой химии изучено влияние органических молекул F4TCNQ и фталоцианинов железа на монослой MoS2. Показано увеличение силы связывания в системе MoS2/F4TCNQ на 35% и 44% в случае наличия примесей Br и границы раздела зерен. Аналогичный эффект наблюдался в системе MoS2/фталоцианина железа. Показано незначительное изменение спектров поглощения, по сравнению с исходным монослоем MoS2, что подтверждает экспериментальные данные и говорит о необходимости использования молекул-медиаторов для увеличения силы связывания органика-неорганика. Исследования ОГ показали зависимость спектров люминесценции от температура, длины волны облучения, а также от кислотности среды, в которой находится образец. Данный факт важно учитывать при исследовании влияния органических молекул на получаемые характеристики гетероструктур. Продемонстрирован экологичный метод восстановления ОГ путем сверхбыстрого нагрева наносекундным ИК лазером. Проведение модификации поверхности ОГ молекулами-медиаторами показала резкое увеличение (на два порядка) квантового выхода таких систем. С помощью методов квантовой химии были рассчитаны энергетически выгодные конфигурации и описаны особенности присоединения молекул-медиаторов к поверхности ОГ и поверхности фталоцианинов и порфиринов железа. Были рассчитаны зависимости дипольных моментов молекул-медиаторов от величины механической деформации. Наибольшим пьезокоэффициентом обладает молекула фурана, наименьшим – имидазола. Определены величины локальных дипольных моментов на границах дефектов в структуре BNO. Включение атомов кислорода в структуру 2D-BN может вызвать появление локальных дипольных моментов, которые могут улучшить его пьезоэлектрические свойства.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За время реализации второго этапа проекта изготовлены растворы на основе ОГ, проведена их модификация органическими молекулами-медиаторами: пиразол, имидазол, фуран, индол. Для каждого из полученных образцов были сняты РФЭС, определена степень влияния органических молекул на структуру и химический состав ОГ. Получены зависимости оптических спектров поглощения для модифицированных суспензий ОГ от концентрации органических компонент и УФ облучения. Получено, что проведение УФ облучения суспензий ОГ, содержащих имидазол и индол приводит к более эффективному восстановлению структуры ОГ и образованию химических связей на границе раздела ОГ/органика. Предложена качественная модель описания свойств границ раздела ОГ/органика. С помощью методов DFT были рассчитаны оптические характеристика границ раздела ОГ/органика. Получены зависимости спектров поглощения от степени восстановления ОГ и наличие органических соединений. Проведено систематическое исследование и отработка методик изготовления суспензий из монослойных чешуек MoS2, демонстрирующих однородные и воспроизводимые оптические характеристики. Получено, что наилучшие структурные и оптические характеристики наблюдаются для образцов, изготовленных с помощью высокоскоростного миксера в водном растворе и ДМСО. Получено, что с помощью такой технологии, структурные и оптические свойства MoS2 не меняются в зависимости от наличие и различной концентрации стабилизатора раствора - холата натрия. Полученные результаты представляют важнейшие фундаментальные знания, необходимые для дальнейшего изготовления элементов и устройств на основе суспензированных MoS2. С помощью методов DFT рассчитаны особенности атомной структуры систем 2D/методиатор/2D. Оценена энергетика связывания в зависимости от типа молекул, рассчитано влияние молекул-медиаторов на электронный спектр полученных гетероструктур. С помощью DFT изучена адсорбция молекул газов NO2, H2S и NH3 на границы раздела вОГ/ОГ, а также в системах ОГ/имидазол/порфирин железа. Анализ функции локализации электронов во всех рассмотренных случаях подтверждает ван-дер-Ваальсово взаимодействие между молекулами газа и поверхностью ОГ, функционализированного гидроксильными и эпоксидными группами. Повышенное значение энергии сорбции наблюдается для молекулы NO2 по сравнению с остальными рассмотренными молекулами. Увеличение энергии сорбции является необходимым, но недостаточным критерием сенсорного отклика структуры. На основе полученных данных были изготовлены газовые сенсоры ОГ, ОГ/имидазол, ОГ/индол и ОГ/имидазол/порфирин. Для каждой из составленных систем получены зависимости сопротивления от времени пропускания газа и его концентрации. Результаты показывают наибольшую чувствительность к NO2 систем ОГ/имидазол, тогда как системы ОГ/индол оказались невосприимчивыми к пропусканию газа - изменение сопротивления колеблется на уровне шума. Системы ОГ/имидазол/порфирин также показали свою чувствительность к наличию NO2, но меньшую, чем в случае ОГ/имидазол. Недостаточная чувствительность может быть связана с излишне большой концентрацией молекул порфиринов, что приводит к уменьшению вклада границы раздела в таких системах. Проведенные DFT расчеты показывают, что только в случае молекулы NO2 наблюдается как более значительный перенос заряда, так и увеличение энергии сорбции, что хорошо коррелирует с экспериментальными данными о реакции сенсора.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетом периоде были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на получение фундаментальной информации о взаимодействии органических молекул с двумерными материалами, такими как MoS2 и оксид графена (ОГ) и созданию лабораторных образцов газовых гибких сенсоров и электрохимических ячеек для разложения воды. С помощью DFT были получены значения энергий и сил взаимодействия для систем MoS2/F4TCNQ в более, чем 25000 конфигураций. На основе полученных данных был натренирован нейросетевой потенциал межатомного взаимодействия, способный предсказывать поведение и самоорганизацию молекул F4TCNQ на поверхности MoS2 в зависимости от температуры, наличия дефектов и механических напряжений подложки. Получены и изучены особенности локального структурного упорядочения молекул в ходе самосборки. С помощью DFT были детально изучены особенности связывания и электронной структуры мономолекулярных кластеров молекул F4TCNQ в зависимости от размера кластера. Изучены структуры 2D/медиатор/2D, в которых в качестве двумерных структур рассматривались графен и MoS2, а в качестве медиаторов - молекула флуорена, допированная атомами галогенов. Получено, что атомы галогенов не способствуют лучшему связыванию флуорена с поверхностями двумерных материалов. Проведенные DFT расчеты также легли в основу аналитической модели для описания поведения молекул на подложках MoS2, содержащих линейные дефекты - границы раздела. Детерминированность данной модели позволяет эффективнее проводить корректировки основных параметров, таких как размер границы раздела, энергия связывания между границей раздела и молекулой, для получения данных о локальном структурном порядке кластеров в зависимости от типа границы раздела. Были предложены возможные пути образования новых ковалентно связанных мономолекулярных слоев на основе F4TCNQ. С помощью теории функционала электронной плотности рассчитаны температурные диапазоны стабильности предложенных структур, оценены электронные и оптические свойства. Показано, что деформация таких структур проходит в упругом режиме вплоть до деформации 15%, что связано с их пористостью. Таким материалы могут стать основой гибких и нательных оптоэлектронных устройств. Подробнее о полученных результатах можно прочитать в опубликованном пресс-релизе:https://rscf.ru/news/release/organicheskie-plenki-sdelayut-elektrody-dlya-ekg-nechuvstvitelnymi-k-potu/. Было проведено исследование изменение оптических характеристик ОГ в зависимости от условий хранения образцов: температуры и освещенности. Была отработана методика модификации структуры ОГ органическими молекулами - индол, имидазол. С помощью таких методов, как РФЭС, КР спектроскопия, а также теория функционала электронной плотности были описаны механизмы восстановления ОГ после модификации молекулами индола, тогда как модификация имидазолом не оказывает никакого воздействия на структуру ОГ. На основе модифицированных органическими молекулами структурах ОГ были отработаны методики нанесения суспензий ОГ и ОГ/модификатор на гибкие подложки с целью создания лабораторных образцов гибких газовых сенсоров. С помощью КР спектроскопии показаны изменения атомной структуры при изгибе образцов, также показано изменение сопротивление пленок ОГ и ОГ/модификатор в зависимости от изгиба подложки.