Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В данной работе были предложены и рассчитаны новые 2D материалы на основе кристаллов с ковалентным типом связи, такие как Сr2S3, NiMnO3 и Y2(CO3)3·nH2O. Были изучены их энергии эксфолиации, а также проведено подробное исследование их электронных, оптических и магнитных свойств. Также был проанализирован ряд известных 2D материалов на основе кристаллов с ковалентным типом связи для сравнения с экспериментальными результатами. Было обнаружено, что все предложенные материалы обладают потенциалом для эксфолиации. Y2(CO3)3·2H2O демонстрирует диэлектрические свойства с шириной запрещенной зоны 5.51 эВ. В 2D-фазе стехиометрия отличается от объемного материала, что приводит к небольшим изменениям в электронных свойствах расслоенного материала. 2D Cr2S3 демонстрирует ферримагнитное основное состояние вне зависимости от толшины материала. В отличие от объемного кристалла, низкоразмерные структуры Cr2S3 обладают металлическими свойствами, вызванными допированием по дырочному типу. Для MnNiO3 было показано, что расслоение материала будет осуществляться с разрывом наиболее длинных связей Ni-O перпендикулярно [001] направлению кристалла. Полученный 2D слой обладает ферримагнитными полупроводниковыми свойствами. В отчетном периоде была выполнена отработка методики эксфолиации, а также предприняты попытки синтеза трех соединений: Сr2S3, NiMnO3 и Y2(CO3)3·nH2O. Для Сr2S3 была проведена эксфолиация, после которой образец был отцентрифугирован. Оптический спектр поглощения супернатанта показал появление максимума поглощения при 310 нм, что свидетельствует о возникновении частиц Сr2S3. Была оценена ширина запрещенной зоны для полученного сульфида хрома и получены результаты, соответствующие результатам предыдущих исследований. Помимо этого, были получены результаты ПЭМ, которые показали образование частиц Cr2S3 размером от 40 до 200 нм и толщиной 15 нм, а также результаты АСМ, которые указывают на формирование плоских «стопок» из частиц Cr2S3. Для NiMnO3 был проведен синтез наночастиц методом щелочного соосаждения при двух разных температурах. Результаты рентгенофазового анализа показали, что при низкой температуре формируется чистая фаза NiMnO3, а при высокой температуре образуются примеси NiMn2O4 и Mn3O4. В ходе эксфолиации также был замечен максимум поглощения при различных длинах волн, связанный с появлением частиц NiMnO3. Были проведены исследования методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии, которые показали получение монодисперсных сферических частиц размером около 5 нм. Также были изучены оптические свойства образцов, полученных в результате эксфолиации, и определена ширина запрещенной зоны, которая уменьшалась с увеличением длительности ультразвуковой обработки. Разработана модель скрининга и идентификации слоистых 2D-материалов на основе их объемных структур. Модель использует известные параметры, такие как ширина запрещенной зоны, механические свойства, электроотрицательность атомов для идентификации характерных особенностей материалов. Расслаиваемые и нерасслаивающиеся структуры были представлены в виде матрицы элементов на графике, показывая различия в распределении признаков. Модель машинного обучения (ML) обнаружила, что элементы, способствующие расслаиванию, включают O, S, Se, Te, а элементы, вносящие наименьший вклад, включают U, Sa, Hf и инертные газы. Модель random forest (RF) показала лучшие результаты по сравнению с другими моделями машинного обучения, такими как SVM и Regression tree.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Подобраны и отработаны методики, а также осуществлен синтез объемных образцов оксида и сульфида меди (ковеллина). Полученные образцы, а также коммерческие сульфиды железа, хрома, оксида марганца охарактеризованы комплексом физико-химических методов. 2. Предложена модельная система (объемный неподвижный образец алюминиевой фольги) и дизайн эксперимента для изучения влияния природы растворителя, частоты и мощности акустического генератора на эффективность кавитации, позволяющие значительно сократить время УЗ-обработки и уменьшить процессы деградации растворителя. Показано, что основным фактором, влияющим на эффективность кавитации является температура кипения растворителя. Динамическая вязкость дисперсионной среды в интервале 0,8 – 2,5 Па∙с, поверх натяжение в интервале 36-43 Н/м, а также растворимость газов (на примере кислорода) в интервале 2,5-4,8 ммоль/л не оказывают существенного влияния на эффективность УЗ-процесса. 3. Определены значения акустической мощности, поглощенной растворителем, и установлено, что данная величина не является единственным показателем, характеризующим эффективность кавитации, поскольку в ней рассматривается только энергетическая составляющая процесса и не учитывается высокий порог кавитации для систем, имеющих значительное поверхностное натяжение, а также изменение механизма кавитации с жидкостной на газовую в случае высокого давления пара растворителя с низкой температурой кипения. 4. В найденных оптимальных условиях жидкофазной УЗ-обработки получены нанолисты СuO, CuS, Fe2O3, FeS, KMn8O16, FeS2, Cr2S3. Их характеризация показала, что на поверхности образцов наблюдаются атомы кислорода, что указывает на возможное частичное окисление или гидролиз полученных нанолистов. Процессы гидролиза и окисления зависят от природы используемой дисперсионной среды и максимальны для ДМСО. Наименее устойчивым к окислению оказались частицы природного пирротина. Адсорбция метилпирролидона на поверхности полученных наноматериалов предотвращает протекание побочных процессов. 5. С помощью методов ИК-Фурье, УФ-Виз- и ЯМР- спектроскопии показано, что гигроскопичность растворителей и присутствие в них растворенного кислорода инициируют процессы их разложения и окисления, которые приводят к частичному гидролизу и загрязнению поверхности полученного низкоразмерного материала, что влияет на его оптические и каталитические свойства, а также потенциальные области применения. Однако продукты окисления и деградации, адсорбированные на краях и базальных плоскостях нанокристаллов, способствуют разрыву ковалентных связей в них, а, следовательно, повышают эффективность эксфолиации не ван-дер-ваальсовых соединений. 6. В этом году, совместно с коллегами из Китая, мы успешно продемонстрировали эксфолиацию ультратонких 2D Cr2S3 с помощью комбинированного простого метода эксфолиации в жидкой фазе (LPE). Морфология и структура 2D Cr2S3 были систематически исследованы. Магнитные исследования показывают температурозависимое поведение 2D Cr2S3 со свойствами нескомпенсированного антиферромагнетика. 2D Cr2S3 был нанесен на массивы наностержней TiO2 для формирования гетероперехода S-схемы. Экспериментальные измерения и проведенные расчеты методом плотностного функционала (DFT) подтверждают, что образованный гетеропереход S-схемы TiO2@Cr2S3 облегчает разделение и передачу фотоиндуцированных пар электронов/дырок, что приводит к значительному увеличению фотокаталитической активности в видимой области спектра. 7. С помощью теории функционала плотности, были продемонстрированы возможности расслоения CuO, CuS и Cr3S4, а также посчитаны их электронные свойства. По результатам проделанных работ, на рассмотрении в журналах Q1 находятся 4 статьи, две из них прошли стадию рецензирования, направлены в журналы после доработки и ожидают принятия в печать.