Оптические нанокерамики с углеродными квантовыми точками

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 23-72-01024

НазваниеОптические нанокерамики с углеродными квантовыми точками

Руководитель Киряков Арсений Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

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 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Физика конденсированного состояния, оптика, фотоника, наноинженерия, собственные и примесные дефекты, термобарический синтез, фотолюминесценция, время разрешенная спектроскопия, нанокерамика, графен, квантовые точки, углеродные квантовые точки.

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные вызовы в материаловедении диктуют необходимость разработки и создания новых безкремниевых функциональных материалов, обеспечивающих широкую область применимости в том числе в условиях агресивных сред и интенсивных радиационных и электромагнитных полей. В связи с этим настоящий проект направлен на разработку и создание новых функциональных материалов на базе прозрачной нанокерамики с примесью наноуглерода в различных изоструктурных модификациях (аморфные углеродные кластеры, графеновые квантовые точки) для приложений фотоники и оптоэлектроники. Синтез оптических керамик с примесью наноуглерода будет реализован методом термобарического сжатия по запатентованной методике. Ключевая задача при реализации проекта заключается в комплексном анализе морфологических, структурных, фазовых, электронно-оптических характеристик, а также установлении фундаментальных закономерностей при формировании и модификации полученных материалов. Особое внимание будет уделено кинетике диссипации элементарных возбуждений в примесных углеродных нанострутурах. Будет проведён сравнительный анализ оптоэлектронных свойств нанокерамик с примесью углерода, полученного при концептуально различных подходах синтеза методами сверху-вниз и снизу-вверх.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Киряков А.Н., Фокин А.В., Дьячкова Т.В., Тютюнник А.П., Чуфаров А.Ю., Михайлевский Г.Б. Local symmetry of manganese ions in MgAl2O4 optical nanoceramics Journal of Luminescence, 266, 120282 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jlumin.2023.120282

2. Киряков А.Н., Косых А.С., Дьячкова Т.В., Тютюнник А.П. Luminescent MgAl2O4 Optical Nanoceramics Doped with Carbon Particles Ural Federal University, Material Science and Nanotechnology (MSN-2023). Abstract Book of International Conference (год публикации - 2023)

3. Киряков А.Н., Дханушкоди С., Байтимиров Д.Р., Кузнецова Ю.А., Дьячкова Т.В., Чуфаров А.Ю., Тютюнник А.П. Structural Features and Photoluminescence of New Transparent MgAl2O4 Nanoceramics with Chromium Impurity Ceramics International (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2023.12.069

4. Киряков А.Н., Кузнецова Ю.А., Дханушкоди С., Дьячкова Т.В., Чуфаров А., Муруган Д., Тютюнник А.П. Carbon dots embedded in solid-state optically transparent matrices Applied Materials Today 36 (2024), Applied Materials Today. – 2024. – Т. 36. – С. 102067 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apmt.2024.102067

5. Оптические нанокерамики с углеродными квантовыми точками Оптические нанокерамики с углеродными квантовыми точками г. Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, XXIV Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества, посвященная 100-летию со дня рождения Е.А. Турова (СПФКС- 24), Тезисы докладов, г. Екатеринбург, 14 марта — 20 марта 2025 г., г. Екатеринбург: ИФМ УрО РАН, 2025, 223 с. (СПФКС-24) (год публикации - 2025)

6. Киряков А.Н, Дханушкоди С., Байтимиров Д.Р., Кузнецова Ю.А., Дьячкова Т.В., Чуфаров А., Тютюнник А. П. Structural Features and Photoluminescence of New Transparent MgAl2O4 Nanoceramics with Cromium Impurity Academizdat Publishing, Novosibirsk, 9th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024): Abstracts. — Tomsk : Academizdat Publishing, 2024. — 684 p. (год публикации - 2024)

7. Киряков А.Н., Дьячкова Т.В., Тютюнник А.П., Бакланова И.В, Резницких О.Г., Еняшин А.Н. Functionalization of transparent MgAl2O4 nanoceramics with carbon quantum dots Journal of Alloys and Compounds, 1038, 182576 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jallcom.2025.182576

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Получены нанопорошки гамма Al2O3 стабилизированного лантаном, а также MgAl2O4 с добавкой диспергированного в УЗ графенового порошка. Синтезированы серии нанокерамик при давлении 6ГПа в течение 10 минут и температурах синтеза от 300 до 700С. В керамиках наибольшая прозрачность достигается при использовании смеси MgAl2O4 с диспергированным графеновым порошком при температурах синтеза 500-600С. Экспериментально показано, что нанопорошок гамма оксида алюминия с размером кристаллитов 6 нм при параметрах синтеза 6 ГПа и температуре 600С изменяет структуру с формированием трёх дополнительных фазовых включений. 2. Выполнена комплексная аттестация полученных нанокерамик. Методом рамановского рассеяния показана эволюция графеновых частиц под воздействием термобарического синтеза при разной температуре. Обнаружено формирование sp1 и sp3 гибридных состояний углерода. Низкоразмерные углеродные включения визуализированы с помощью просвечивающей микроскопии высокого разрешения. Установлено, что с ростом температуры синтеза происходит рост области когерентного рассеяния частиц MgAl2O4 и одновременным снижением внутренних напряжений в решетке. Установлено, что графеновые включения в нанокерамике характеризуются наличием СН и СО связей. 3. Полученные композитные нанокерамики прозрачны в видимой области спектра и проявляют интенсивную наносекундную фотолюминесценцию. Возбуждение УФ-излучением стимулирует ФЛ углеродных наночастиц с поверхностными группами. Для образцов, синтезированных в условиях 6 ГПа, 10 минут, 500-600С (773 – 873 К) в диапазоне 2 эВ – 2,9 эВ, фотолюминесцентный сигнал характеризуется смещением максимумов полос люминесценции в зависимости от энергии возбуждения. Это обусловлено образованием в углеродных частицах больших «островных» областей с полностью десорбированной поверхностью, что обеспечивает ФЛ по типу межзонных переходов для углеродных квантовых точек. Полоса ФЛ неоднородно уширена за счет свечения набора углеродных квантовых точек с различным количеством дезактивированных бензольных колец. Фотолюминесценция претерпевает температурное тушение с энергией активации 40 мэВ. Также было обнаружено, что в диапазоне температур от 4 до 300 К не происходит изменения времени жизни сигнала ФЛ, что свидетельствует о небольшом экситон-фононном взаимодействии в УКТ. 4. Предложена модель термобарического сжатия углеродных квантовых точек. На основании предложенной модели выполнено компьютерное моделирование с применением квантово-химических вычислений и молекулярной динамики. Получены удовлетворительные результаты, свидетельствующие о том, что гидроксилированная углеродная квантовая точка зажатая в пространстве между частицами шпинели испытывает дегидроксилирование с отрывом поверхностно сорбировавшихся молекул исключительно в совокупности подведенного давления и температуры выше 400С. При этом формируются чистые sp2 участки графена в несколько бензольных колец. Такие участки и выступают в роли углеродных квантовых точек люминесцирующих впоследствии с перестраиваемым спектром за счёт изменения площади «чистой» sp2 гибридизованной части графеновой частицы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные нанокерамики могут быть использованы в качестве люминофоров с перестраиваемым спектром. Наносекундный диапазон кинетики свечения в совокупности со спектральными особенностями таких нанокерамик делают разработанный материал перспективным для использования в качестве функционального материала приёмников и передатчиков современной системы широкополосного безпроводного канала связи по технологии Li-Fi (Light Fidelity).