Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Нами изготовлены лабораторные образцы солнечных элементов на основе концепции фотодиода на базе метаповерхностей пористого диоксида титана, допированного активаторными центрами (золотыми наночастицами и металлоуглеродными комлексами). Использовалась трехэтапная схема синтеза. Указанный метод получения систем микросвитков не требовал соблюдения строгих и сложных условий синтеза, позволил сформировать протяженные образцы микросвитков c упорядоченной структурой с перспективными фотоэлектрическими свойствами, за сравнительное небольшое время. Исследование РЭМ - изображений полученных образцов показало, что микросвитки образуют массивы с элементами, обладающими разветвленной дендритной структурой с периодическим характером. Для демонстрации этого факта была произведена оценка их фрактальной размерности методом boxcounting в среде MATLAB. В среднем микросвитки обладали одинаковой степенью разветвленности и одинаковой фрактальной размерностью. Все это свидетельствовало о том, что синтезированная система микросвитков обладала периодическим характером. Средний диаметр микровсвитков соответствовал расстоянию от лезвия до образца. Таким образом, предложенный метод синтеза является управляемым и позволяет получать образцы с требуемой структурой. Для описания особенностей полученных структур было проведено моделирование структуры микросвитков в рамках имитационного подхода. Для моделирования структуры образцов сверху использовалось приближение диффузионно-ограниченной агрегации, позволяющее генерировать дендритные структуры. Формирование модельной структуры реализовывалось в ходе итерационного процесса блуждания модельных частиц с их последующей агрегацией с ранее сформированной структурой с заданной вероятностью в рамках клеточного автомата с окрестностью Неймана. Для описания торцевого сечения микросвитка использовалось уравнение спирали Архимеда. Для задания шероховатости и неоднородности при моделировании структуры применялось диффузионное приближение, основанное на решении уравнения Лапласа. Уравнение диффузии в дискретном виде решалось с использованием дискретного клеточного автомата в рамках окрестности Неймана. Структурные неоднородности генерировались итерационно, начиная от стартовой фигуры, заданной на основе спирали Архимеда. Модели в рамках клеточного автомата позволили задавать тип образующих структуру частиц на основе заданной вероятности, определяемой в соответствии с концентрацией частиц. Проведенное моделирование показало хорошую степень адекватности предложенных приближений, которые могут быть применены для описания структурных особенностей синтезированных образцов микросвитков. Это дает возможность оценки их функциональных характеристик, обусловленных как особенностями структуры, так и элементным составом. Проведено исследование электрофизических свойств через оценку вольт-амперных характеристик с помощью АСМ Ntegra Aura, с использованием в полуконтактного метода в вакууме и на воздухе. Это позволило получить ВАХ туннельного тока с его поверхности. ВАХ измерялись как без оптической накачки, так и при облучении образца внешним излучением от лазерного источника с длиной волны, соответствовавшей зеленому свету. Во всех измерениях наблюдалось увеличение силы тока после включения лазерной накачки при тех же значениях напряжения. Это указывало на фоточувствительность нашего материала и возникновение внешнего фотоэффекта. Измерения тока приводились как на образце с плёнкой TiO2, так и после напыления коллоидного раствора C-Аu на образец, а также после скручивания свитков. Было показано, что итоговый образец обладал несколько более сильными фотоэлектрическими свойствами, чем исходная структура. Оценки ВАХ проводились как со всего образца, так и в 10 различных точках. Зависимость величины фототока от напряжения вела себя как типичная ВАХ фототока. Были исследованы зависимости силы тока от мощности облучающего источника и времени облучения. Было показано, что увеличение мощности и времени облучения позволяет получить значительное увеличение квантовой эффективности. Проведено изучение их фотовольтаических свойств. Масштабируя полученный результат, имеется возможность достижения интегральной квантовой эффективности более 70%. Проведено моделирование электрофизических свойств исследованных структур через оценку ВАХ для положительной ветви из отрезка электронапряжений в приближении диода Шоттки. Также была предложена модель фототока. Проведенное моделирование и сравнение результатов с измеренными значениями свидетельствовало о хорошей адекватности модельного приближения. Рассмотрены разные элементные составы наноматериалов: золотые (Аu) наночастицы и металлоуглеродные комлексы, медные (Cu) наночастицы и металлоуглеродные комплексы, железные (Fe) наночастицы и металлоуглеродные комплексы. Были исследованы зависимости силы тока от мощности и силы тока от времени облучения для образцов указанных выше комплексов. Было установлено, что образцы с Fe и Сu наночастицами могут быть достаточно хорошей альтернативой структурам с Аu легированием по зависимостям силы тока от времени облучения. Более того в случае учета зависимости от мощности источника облучения образец с Сu наночастицами также является удачной альтернативой структуре с Аu легированием. Показано, что имеется возможность получения для образца с Сu наночастицами несколько большей квантовой эффективностью по сравнению с образцом с Au легированием, например, в 1.5 раза. Таким образом, образцы, синтезированные на подложках из ITO-стекла, открывают новые возможности применения в качестве фотоэлектрических элементов, например, в прозрачных солнечных батареях. Результаты, полученные в ходе выполнения данного этапа проекта, были опубликованы в следующих источниках: 1. Д.Н. Бухаров, А.Ф. Лелекова, В.Д. Самышкин, Н.А. Халимов, С.П. Эйум Эссака, А. А. Кузнецов, Д.А. Бодунов, А.А. Абрамов, А.О. Кучерик ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОСВИТКОВ ДИОКСИДА ТИТАНА, ЛЕГИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ЦЕПОЧКАМИ И AU НАНОЧАСТИЦАМИ//Оптика и спектроскопия.2024.10. (в печати). 2. Д.Н. Бухаров, А.О. Кучерик, В.Д. Самышкин, А.Ф. Лелекова, С.М. Аракелян МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СИСТЕМЫ МИКРОСВИТКОВ ДИОКСИДА ТИТАНА С C-AU ЛЕГИРОВАНИЕМ// Южно-Сибирский научный вестник. – 2024. – № 5. – с. 28-34. 3. Д.Н. Бухаров, В.Д. Самышкин, А.Ф. Лелеков МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ МИКРОСВИТКОВ ДИОКИСДА ТИТАНА, ДОПИРОВАННОГО ЗОЛОТЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ//«Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»: тез. докл. XIX Всерос. конф. молодых ученых. – Саратов: Изд-во “Техно-Декор”, 2024. – 152 с. 4. В.Д. Самышкин, А.О. Кучерик, А.Ф. Лелекова, Д.Н. Бухаров, ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИКРОСВИТКОВ ДИОКСИДА ТИТАНА, ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ// Краткие сообщения по физике - ФИАН. -2025.-№1 (в печати)