Многофункциональные полупроводниковые гетеронаноструктуры на основе наноструктурированных сульфидов цинка и серебра для нанофотоники

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 проекта 19-79-10101

НазваниеМногофункциональные полупроводниковые гетеронаноструктуры на основе наноструктурированных сульфидов цинка и серебра для нанофотоники

Руководитель Садовников Станислав Игоревич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Сульфиды цинка и серебра, гетеронаноструктура, синтез, структура, морфология, электронные, термические и оптические свойства, рентгеновская дифракция, электронная микроскопия, термическая стабильность размера и состава наночастиц

Код ГРНТИ47.13.07

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сульфиды цинка ZnS и серебра Ag2S являются одними из наиболее востребованных полупроводниковых сульфидов. Они используется в усилителях и детекторах ультразвука, инфракрасных датчиках, лазерах, люминофорах, солнечных элементах, светодиодах, фотохимических ячейках, инфракрасных детекторах, переключателях сопротивления и энергонезависимых устройствах памяти. Сульфид цинка имеет низкотемпературную кубическую и высокотемпературную гексагональную модификации. В нормальных условиях сульфид цинка является широкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 3.5-3.7 эВ. Характерный диаметр экситона в крупнокристаллическом сульфиде цинка ZnS составляет 4.8-5.2 нм. Сульфид серебра Ag2S имеет низкотемпературную полупроводниковую фазу - акантит alfa-Ag2S с моноклинной структурой, объемноцентрированный кубический (оцк) суперионный аргентит beta-Ag2S, существующий в температурном интервале 452-859 K, и высокотемпературный гранецентрированный кубический (гцк) сульфид gamma-Ag2S. Ширина запрещенной зоны сульфида серебра со структурой акантита alfa-Ag2S равна 0.9-1.1 эВ, диаметр экситона равен 2.8 нм. Увеличение ширины запрещенной зоны наноструктурированных сульфидов и гетеронаноструктур наблюдается при уменьшении размеров наночастиц и при создании сульфидных нанокомпозитов двух разных металлов. Уменьшение размера сульфидных наночастиц цинка и серебра в области меньше размера экситона позволяет регулировать ширину запрещенной зоны путем ее увеличения. Однако диаметры экситонов для ZnS и Ag2S малы (5.0 и 2.8 нм, соответственно), поэтому получать стабильные наночастицы такого размера сложно. Более перспективным является получение полупроводниковых нанокомпозитов, состоящих из наночастиц сульфидов цинка и серебра. В идеальном случае ширина запрещенной зоны наногетероструктуры на основе ZnS и Ag2S может меняться от 1.0 до 4.0 эВ и охватывать широкую часть спектра от инфракрасного до ближнего ультрафиолетового диапазона. Разработка гетеронаноструктур на основе сульфидов цинка и серебра позволит усовершенствовать приборы лазерной оптики, расширить спектральную чувствительность полупроводников в видимую длинноволновую область, получить новые наноматериалы для прямого преобразования солнечной энергии в электричество, для твердотельных УФ лазеров, бетавольтаики и быстродействующих переключателей сопротивления. В настоящее время проблема синтеза гетеронаноструктур на основе наноструктурированных сульфидов цинка и серебра не решена. Особенностью наноструктурированного сульфида цинка является образование наноструктур с разной морфологией, причем оптические свойства наноструктур на основе ZnS непосредственно связаны с морфологией этих наноструктур. Величину эмиссии можно повысить с помощью увеличения отношения длины к толщине (радиусу) наноструктуры и/или декорированием поверхности наноструктуры наночастицами серебра или сульфида серебра. Частичное замещение атомов цинка атомами серебра или создание гетеронаноструктур ZnS-Ag2S повышает люминесценцию и расширяет ее спектральный диапазон. В проекте будет разработан универсальный способ получения наноструктурированных сульфидов цинка и серебра и гетеронаноструктур ZnS-Ag2S, позволяющий контролировать состав, размер и морфологию наночастиц и получать композитные наноструктуры с регулируемыми шириной запрещенной зоны и оптическим свойствами. Композитные наноматериалы на основе ZnS и Ag2S будут синтезированы гидрохимическим соосаждением, гидро- и сольвотермальным методами, а также методами испарения и конденсации. Важной частью проекта является разделение размерных и морфологических факторов, влияющих на свойства сульфидных гетеронаноструктур и наночастиц. Установление вклада каждого из них позволит непосредственно контролировать и направленно модифицировать свойства наноразмерных сульфидов. Научную новизну проекта обеспечит комплексное экспериментальное изучение условий синтеза, с одной стороны, и оптических свойств наноразмерных сульфидных гетероструктур с различной морфологией и размером частиц, с другой стороны, первопринципные расчеты электронной структуры сульфидных гетеронаноструктур, компьютерное моделирование сульфидных наночастиц и гетеронаноструктур ZnS-Ag2S. Допирование сульфида цинка серебром и синтез гетеронаноструктур ZnS-Ag2S типа нанопроволок и наноремней позволят получить сульфидные нанокомпозиты с регулируемыми шириной запрещенной зоны и оптическим свойствами для различных областей применения в микро-, нано- и оптоэлектронике. Ожидаемые экспериментальные и теоретические результаты будут соответствовать мировому уровню, а многие данные по синтезу гетеронаноструктур ZnS-Ag2S и зависимостям оптических свойств от размера и морфологии наночастиц сульфидов цинка и серебра и гетеронаноструктур ZnS-Ag2S будут опережать существующий уровень.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Садовников С.И., Ищенко А.В., Вайнштейн И.А. Synthesis and optical properties of nanostructured ZnS and heteronanostructures based on zinc and silver sulfides Journal of Alloys and Compounds, V. 831, article 154846 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jallcom.2020.154846

2. Садовников С.И. Synthesis, properties and applications of semiconductor nanostructured zinc sulfide Russian Chemical Reviews, V.88, p.571-593 (год публикации - 2019)

3. Садовников С.И., Балякин И.А. Molecular dynamics simulations of zinc sulfide deposition on silver sulfide from aqueous solution Computational Materials Science, V.184. Paper 109821. (год публикации - 2020)
10.1016/j.commatsci.2020.109821

4. Садовников С.И., Ищенко А.В., Вайнштейн И.А. Синтез и свойства нанопорошков ZnS и гетеронаноструктур ZnS/Ag2S Журнал неорганической химии, Т. 65. № 9. С.1183-1191. (год публикации - 2020)
10.31857/S0044457X20060173

5. Садовников С.И. Скорости продольных и поперечных упругих колебаний в суперионном сульфиде серебра Письма в ЖЭТФ, Т.65. № 9. С.1183-1191. (год публикации - 2020)
10.31857/S1234567820150100

6. Садовников С.И., Попов И.Д. Оптические свойства нанопорошков сульфида цинка и гетеронаноструктур ZnS/Ag2S Физика твердого тела, Т.62. № 11. С.1787-1794 (год публикации - 2020)
10.21883/FTT.2020.11.50106.107

7. Садовников С.И., Герасимов Е.Ю. Synthesis and characterization of (Ag2S)x(ZnS) hetero-nanostructures IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V.1008. Paper 012019. 5 pp. (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/1008/1/012019

8. Балякин И.А., Садовников С.И. Simulations of ZnS deposition on Ag2S surface and formation of Ag2S/ZnS heteronanostructure. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V.1008. Paper 012020. 6 pp. (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/1008/1/012020

9. Садовников С.И., Гусев А.И. Elastic properties of superionic cubic silver sulfide beta-Ag2S Physical Chemistry Chemical Physics, V.23, Issue 4, p. 2914-2922 (год публикации - 2021)
10.1039/D0CP04761A

10. Садовников С.И., Гусев А.И. Граница раздела в гетеронаноструктуре Ag2S/ZnS Письма в ЖЭТФ, Том 113, вып. 11, с. 733-739 (год публикации - 2021)
10.31857/S1234567821110057

11. Садовников С.И. Упругие свойства нанокристаллических кубических сульфидов Ag2S и ZnS Физика твердого тела, том 63, вып. 9 c. 1407-1414 (год публикации - 2021)
10.21883/FTT.2021.09.51278.067

12. Балякин И.А., Садовников С.И. Deep learning potential for superionic phase of Ag2S Computational Materials Science, V. 202, paper 110963 (год публикации - 2022)
10.1016/j.commatsci.2021.110963

Публикации

2. Садовников С.И. Synthesis, properties and applications of semiconductor nanostructured zinc sulfide Russian Chemical Reviews, V.88, p.571-593 (год публикации - 2019)

Публикации

2. Садовников С.И. Synthesis, properties and applications of semiconductor nanostructured zinc sulfide Russian Chemical Reviews, V.88, p.571-593 (год публикации - 2019)