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

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 23-73-01001

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

Руководитель Кистанов Андрей Александрович, Кандидат физико-математических наук

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

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 слова наноматериал, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Устюжанина С.В., Кистанов А.А. Первопринципные исследования адсорбции Li и Na на поверхности монослоя MgCl2 Письма в ЖЭТФ, том 118, вып. 9–10, с.683–688 (год публикации - 2023)
10.31857/S1234567823210097

2. Кистанов А. А., Устюжанина С. В., Баранова М. С., Гваздовский Д.Ч., Щербинин С.А., Преждо О.В. Prediction of Zn2(V, Nb, Ta)N3 Monolayers for Optoelectronic Applications The Journal of Physical Chemistry Letters, 14, XXX, 11134–11141 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.3c03206

3. Гвоздовский Д.Ч., Баранава М.С., Корзникова Е.А., Кистанов А.А., Стемпицкий В.Р. Search on stable binary and ternary compounds of two-dimensional transition metal halides 2D Materials, 11, 025022 (год публикации - 2024)
10.1088/2053-1583/ad2692

4. Кистанов А.А. Atomic Insights into the Interaction of N2, CO2, NH3, NO, and NO2 Gas Molecules with the Zn2(V, Nb, Ta)N3 Ternary Nitride Monolayers Physical Chemistry Chemical Physics, 26, 13719-13730 (год публикации - 2024)
10.1039/D4CP01225A

5. Косарев И.В., Кистанов А.А. Carrier Transport in Bulk and Two-Dimensional Zn2(V, Nb, Ta)N3 Ternary Nitrides Nanoscale, 16, 10030-10037 (год публикации - 2024)
10.1039/D4NR01292E

6. Кистанов А.А. Density functional theory based characterization of point defects in two-dimensional Zn2(V,Nb,Ta)N3 ternary nitrides Computational Materials Science, 246, 113356 (год публикации - 2024)
10.1016/j.commatsci.2024.113356

7. Устюжанина С.В., Кистанов А.А. КОМПЬЮТЕРНЫЙ ДИЗАЙН И РАСЧЕТ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ МОНОСЛОЕВ Zn2(V,Nb,Ta)N3 Издатель и полиграфическое исполнение: учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», г. Минск, Сборник трудов Международной научно-практической конференции КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКЕ (EDA Conference 2024), стр. 33-36 (год публикации - 2024)

8. Косарев И.В., Гвоздовский Д.Ч., Баранова М.С., Стемпицкий В.Р., Голосов Д.А., Завадский С.М., Корзникова Е.А., Кистанов А.А. Outstanding stability and electronic characteristics of Zn2(V,Nb,Ta)N3 monolayers Book of abstracts ICLED 2024 Organizing Committee, Singapore, August 01, 2024 (год публикации - 2024)

9. Устюжанина С.В., Баранова М.С., Гвоздовский Д.Ч., Кистанов А.А. Novel Zn2(V, Nb, Ta)N3 Monolayers for Application in Tandem Solar Cells Proceedings of the 5th International Electronic Conference on Applied Sciences, 4–6 December 2024, MDPI: Basel, Switzerland, Proceedings of the 5th International Electronic Conference on Applied Sciences, 4–6 December 2024, MDPI: Basel, Switzerland (год публикации - 2024)

10. Кистанов А.А. Ternary nitride Zn2VN3, Zn2NbN3, and Zn2TaN3 monolayers: Atomic-scale understanding of structural integrity against point defects and environmental molecules Surfaces and Interfaces, 64, 106411 (год публикации - 2025)
10.1016/j.surfin.2025.106411

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Первопринципные расчеты на основе теории функционала электронной плотности позволяют раскрыть механизмы поверхностных реакций на атомном уровне, включая взаимодействие молекул окружающей среды с поверхностью двумерных материалов. В ходе выполнения второго этапа проекта, с использованием первопринципных расчетов, изучена структурная устойчивость монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3, содержащих точечные дефекты, при взаимодействии с молекулами O2 и H2O. Установлено, что по сравнению с молекулой O2, молекула H2O имеет более низкую энергию адсорбции на поверхности монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3. Однако, она играет донорную роль по отношению к этим монослоям, что препятствует образованию химических связей между H2O и их поверхностью. В свою очередь, показано отсутствие энергетического барьера для диссоциации молекулы O2 на поверхности дефектных монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3, что может быть связано с сильной акцепторной ролью O2 по отношению к этим монослоям. Кроме того, моделирование показало способность залечивания атомных N дефектов и частичную пассивацию атомных Zn дефектов атомами кислорода при диссоциации молекулы O2 на этих дефектах. Таким образом, происходит восстановление целостности структуры и функциональных свойств монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3 путем пассивации дефектов атомами кислорода. Данные результаты указывают на высокую структурную стабильность монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3 даже при наличии дефектов и во влажной среде. Обнаруженный механизм залечивания дефектов в монослоях Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3 может быть полезен для совершенствования процессов синтеза и методов дефектной инженерии тернарных нитридов. В двумерных материалах пассивация точечных дефектов, которые действуют как ловушки экситонов, позволяет контролировать и улучшать подвижность носителей заряда и повышать фотолюминесценцию. В данном проекте обнаружено появление неглубоких электронных состояний в фундаментальной щели монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3, вызванных наличием точечных дефектов на их поверхности. Также дефекты могут влиять на рекомбинацию и перенос носителей заряда и способствовать появлению новых глубоких электронных состояний в исследованных материалах. Таким образом, показано, что дефектная инженерия может быть эффективным подходом к адаптации оптоэлектронных свойств монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3. Кроме того, результаты, представленные в проекте, могут быть полезны для контроля качества синтезированных монослоев Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3. Как было показано, точечные дефекты в этих монослоях имеют специфические маркеры на диаграмме зонной структуры, что позволяет идентифицировать эти дефекты методами фотоэмиссионной спектроскопии. В дополнение, представлен комплексный анализ точечных дефектов, таких как моно- и би-вакансии, в монослоях Zn2VN3, Zn2NbN3 и Zn2TaN3 на основе смоделированных изображений сканирующей туннельной микроскопии, что позволит идентифицировать их экспериментально. Результаты, полученные в ходе реализации второго этапа проекта, представлены в виде 2 научных статей в изданиях, индексируемых в библиографических базах данных Web of Science и/или SCOPUS и входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR Science Edition или JCR Social Sciences Edition. Результаты также представлены на 3 международных конференциях. Руководителем проекта представлен приглашенный устный доклад на международной конференции "ICLED 2024", г. Сингапур. Руководителем проекта на правах члена программного комитета представлен стендовый доклад на международной онлайн конференции "The 5th International Electronic Conference on Applied Sciences.". Руководителем проекта на правах члена программного комитета представлен устный доклад на международной конференции "Компьютерное проектирование в электронике", г. Минск, Беларусь. По результатам, полученным, в том числе, в ходе выполнения проекта, руководителем проекта защищена докторская диссертация (https://uust.ru/dc/dissertations/kistanov-andreiy-aleksandrovich-2024-12-13/)

Публикации

Возможность практического использования результатов
Обнаруженный механизм пассивации дефектов в монослоях тернарных нитридов может быть полезен для совершенствования технологий синтеза и методов дефектной инженерии новых функциональных материалов, таких как монослои тернарных нитридов. Результаты по обнаружению специфических маркеров на диаграмме зонной структуры, соответствующих определенному точечному дефекту в монослоях тернарных нитридов, позволяет усовершенствовать технологии идентификации этих дефектов методами фотоэмиссионной спектроскопии. Помимо инновационных фундаментальных знаний о перспективных двумерных материалах, данный проект способствует усовершенствованию технологий синтеза и пониманию процессов внедрения новых функциональных материалов в технологичные производства, что несомненно повысит конкурентоспособность отечественной науки в данной области.