КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 23-73-01001

НазваниеИсследование структуры и свойств группы двумерных тернарных нитридов цинка Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях окружающей среды

РуководительКистанов Андрей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий», Республика Башкортостан

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2023 - 06.2025

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-406 - Химическая термодинамика. Физическая химия поверхности и межфазных границ. Адсорбция

Ключевые словананоматериал, двумерный материал, тернарный нитрид цинка, энергоэффективность, моделирование, теория функционала плотности, солнечный элемент, энергетика нового поколения

Код ГРНТИ31.15.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Двумерным материалам, таким, как графен (монослой графита), посвящено множество научных исследований, а в 2010 году за открытие графена была вручена Нобелевская премия по физике. С одной стороны, различные свойства и потенциал применения двумерных материалов в различных нанотехнологиях достаточно широко изучены. Например, установлено, что графен является одним из самых прочных материалов. Дисульфид молибдена, в свою очередь, имеет широкую щель в электронном спектре, что делает его перспективным материалом для использования в наноэлектронике. С другой стороны, выявлен ряд ограничений для широкомасштабного применения некоторых двумерных материалов. Отличительной особенностью двумерных материалов является их высокая химическая активность (стоит отметить, что для некоторых приложений она же является их достоинством), ввиду которой они легко подвергаются негативному воздействию окружающей среды при их производстве и применении. Кроме того, число новых двумерных материалов, доступных для экспериментального и теоретического исследования, постоянно растет. Очевидно, что каждый вновь открытый материал имеет свои особенности, ввиду чего стоит задача их исследования и оценки перспектив их использования в реальных условиях. Известно, что объемные нитриды широко используются в ряде электронных приложений, например транзисторах и твердотельноых приборах освещения, благодаря уникальному сочетанию структурных и опто-электрических свойства. Для оптоэлектронных применений объемные тернарные нитриды переходных и постпереходных металлов особенно перспективны из-за их регулируемой ширины запрещенной зоны и электропроводности. В отличии от своих объемных аналогов, двумерные тернарные нитриды, такие как Zn2(V, Nb, Ta)N3, остаются малоизученным классом материалов. Ввиду вышеизложенного, одной из первоочередных задач является систематизация знаний о структуре, свойствах и возможностях применения двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в различных условиях, в том числе под воздействием окружающей среды. Неоценимый вклад в решение данных задач помогут внести высокоточные методы компьютерного моделирования, эффективность и достоверность которых не вызывают сомнения, при этом они требуют значительно меньших временных затрат, по сравнению с экспериментальными исследованиями, и позволяют значительно удешевить и ускорить процесс исследования. В настоящем проекте первопринципные расчеты на основе теории функционала плотности, будут использоваться для изучения структуры, свойств, химической активности и химической стабильности двумерных тернарных нитридов цинка Zn2(V, Nb, Ta)N3, применение которых позволит повысить характеристики современных солнечных элементов и опто-электронных приборов. Кроме того, будет изучено влияние различных негативных факторов, таких как точечные дефекты, возникающих при производстве и эксплуатации двумерных материалов и воздействие окружающей среды, на эксплуатационные характеристики двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. В рамках поставленных задач будет сделан вывод о химической активности с молекулами и газами окружающей среды, влияния на нее структурных дефектов, а так же изучены процессы окисления и химической деградации двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях их эксплуатации. Данные, полученные по результатом проекта, позволят определить эффективный способ применения группы двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 в условиях эксплуатации, что в свою очередь, внесет значительный вклад в возможность экспериментальной реализации высокоэффективных и долговечных материалов для наноустройств различного назначения, таких как солнечные элементы нового поколения.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения данного проекта, с использованием методов первопринципного моделирования на основе теории функционала плотности, будут получены и систематизированы данные о структуре и функциональных характеристиках и о влиянии на них различных факторов (например, наличие дефектов и воздействие окружающей среды) ряда не изученных двумерных материалов - Zn2(V, Nb, Ta)N3. Известно, что наличие точечных дефектов на поверхности двумерных материалов, часто возникающих при их производстве и эксплуатации, приводит к существенному изменению симметрии решетки, и межатомных расстояний в двумерных материалах, что влечет за собой значительные и, чаще всего, пагубные изменения их свойств. Настоящий проект позволит изучить данную проблему для рассматриваемых двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 за счет изучения механизмов изменения их свойств при появлении точечных дефектов на их поверхности. Для этого будут созданы модели структур рассматриваемых двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3, содержащих точечные дефекты и рассчитаны энергии формирования и барьеры миграции таких дефектов, будет установлено их влияние на стабильность структуры и свойства исследуемых материалов. Кроме того, необходимость изучения химической стабильности рассматриваемых материалов возникает ввиду того, что из-за контакта поверхности большинства двумерных материалов с молекулами окружающей среды при их производстве и эксплуатации происходит разрушение их структуры. Более того, из-за высокой химической активности двумерных материалов, их дальнейшее применение в условиях повышенной влажности, при наличии агрессивной среды, либо в условия больших перепадов температур связано с риском быстрой деградации структуры и снижением их функциональных свойств. Таким образом, очевидно, что необходимо изучить влияние окружающей среды на структуру и свойства исследуемых в данном проекте двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Для этого будут созданы модели для анализа химической стабильности и химической активности рассматриваемых двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при взаимодействии с различными молекулами и газами, содержащимися в окружающей среде. Для этого будут рассчитаны энергетические барьеры перехода молекул и газов из физадсорбированного в хемосорбированное состояние на поверхности двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Будет изучено возможное окисление исследуемых двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 посредством расчета энергий диссоциации молекул и газов на их поверхности. Данные расчеты будут дополнены первопринципными молекулярно-динамическими исследованиями вышеописанных моделей, что позволит проследить динамику взаимодействия поверхностей исследуемых двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 с молекулами окружающей среды при различных температурах. В результате выполнения проекта будут получены следующие результаты: 1) По уже имеющимся и опубликованным данным было определено, что двумерный Zn2VN3 обладает термодинамической стабильностью. Для двумерных Zn2(V, Ta)N3, будут рассчитаны: i) фононные спектры, ii) энергии формирования и iii) проведены молекуляроно-динамические первопринципные расчеты при различных рабочих температурах (200К-400К). Исходя из полученных данных будет сделан вывод о термодинамической стабильности Zn2(V, Ta)N3 и выведенны общие закономерности по данной группе двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. 2) Будут рассчитаны энергетические характеристики процессов адсорбции и диффузии молекул (O2, H2O) и газов (NO, NO2, N2, CO2) окружающей среды. В частности, будут рассчитаны энергии адсорбции, энергитический барьер диссоциации и влияние кинетики на данные параметры для молекул (O2, H2O) и газов (NO, NO2, N2, CO2) окружающей среды на поверхности двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Будут рассчитаны опто-электронные свойства (электронные спектры, плотности электронных состояний, диэлектрические фунции и т.д.) двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при их взаимодействии с молекулами и газами окружающей среды. Будет сделан вывод об изменениях структуры и свойств двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при их взаимодействии с молекулами и газами окружающей среды. 3) Будут рассчитаны энергетические характеристики формирования точечных дефектов (таких, как моно и би вакансии) в двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Будет сделан вывод о стабильности точечных дефектов в двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 и об изменениях структуры и свойств двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при наличии в них точечных дефектов. Будут рассчитаны опто-электронные свойства двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при наличии в них точечных дефектов. Будет сделан вывод об изменениях структуры и свойств двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 при наличии в них точечных дефектов. 4) Аналогично п. 2 и п. 3 будет рассмотренно совместное влияние молекул и газов окружающей среды и точечных дефектов на структуры и свойств двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. 5) В завершении, будут систематизированны данные о структурной стабильности, процессах окисления и деградации структуры и изменении опто-электронных свойст двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Будет наработано руководство по критериям эксплуатации устройств на основе двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3 и проанализированны области практических применений двумерных Zn2(V, Nb, Ta)N3. Все ожидаемые результаты будут новы и находиться на переднем крае отечественной и мировой науки. Так как объемные материалы на основе нитридов широко используются в ряде электронных приложений, например, в транзисторах и твердотельных приборов освещения, благодаря уникальному сочетанию структурных и опто-электрических свойства. Для оптоэлектронных применений объемные тернарные нитриды переходных и постпереходных металлов особенно перспективны из-за их регулируемой ширины запрещенной зоны и электропроводности. В отличии от своих объемных аналогов, двумерные тернарные нитриды, такие как Zn2(V, Nb, Ta)N3, изучаемые в данном проекте, остаются малоизученным классом материалов. Полученные в ходе проекта данные об их эксплуатационных особенностях и изменении свойств Zn2(V, Nb, Ta)N3 в зависимости от влияния окружающей среды будут иметь не только фундаментальное значение, но и большую практическую ценность, которая заключается в том, что полученные результаты позволят создать стратегии для реализации высокоэффективных и долговечных материалов для наноустройств различного назначения, таких как солнечные элементы нового поколения.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---