22.03.2023 (13:00) Семинар ИОФ РАН "Актуальная физика", № 6

На семинаре будет проведено награждение победителей конкурса, прошедшего в феврале 2023 г., регламент – 10 минут. С приглашенным докладом ««Квантовые» значения экстремумов «классических» макроскопических величин» выступит академик РАН Вадим Вениаминович Бражкин, регламент выступления – 1 час. На семинаре также будут представлены доклады по лучшим работам, опубликованным учёными ИОФ РАН, отобранные комиссией Учёного Совета ИОФ РАН. Регламент выступлений – 20 минут, включая ответы на вопросы.

«Квантовые» значения экстремумов «классических» макроскопических величин

Фундаментальные константы (ħ, m, e, c и т.д.) играют важную роль в природе. Они определяют многие высокоэнергетические процессы. Оказывается, что эти константы также задают границы для «обычных» свойств конденсированных сред, таких как вязкость, теплопроводность, упругие модули, скорость звука и др. Кинематическая вязкость имеет точку глобального минимума на всей P,T-диаграмме, это же верно и для температуропроводности веществ (за исключением критической точки). При этом минимальные значения этих величин определяются лишь постоянной Планка ħ и массами электрона m и атома/молекулы M. Нетривиальным является вывод о близости по величине кинематической вязкости обычных флюидов и кварк-глюонной плазмы. Аналогично, экстремумы упругих характеристик веществ, механических свойств материалов и скорости звука также определяются лишь постоянной Планка, массами электрона и ионов, а также зарядом электрона. Использование фундаментальных констант позволяет сделать разумные оценки скоростей звука веществ и упругих характеристик низкоразмерных систем.

(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Российская Федерация
(2) Институт радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, Фрязино, Российская Федерация
(3) Томский политехнический университет, Томск, Российская Федерация
(4) Институт перспективных материалов и технологий Пекинского научно-технического университета, Пекин, Китай
(5) МИРЭА — Российский технологический университет, Москва, Российская Федерация


Комбинированный HF + MW подход к CVD синтезу поликристаллических алмазных пленок со сниженным изгибом

Презентация доклада

На конкурс представлена статья:
Sedov V., Popovich A., Linnik S., Martyanov A., Wei J., Zenkin S., Zavedeev E., Savin S., Gaydaychuk A., Li C., Ralchenko V., Konov V. Combined HF+ MW CVD Approach for the Growth of Polycrystalline Diamond Films with Reduced Bow. Coatings 13 (2) 380 (2023) 2023 Feb 7. https://doi.org/10.3390/coatings13020380

Авторским коллективом из ИОФ РАН впервые предложен оригинальный подход к синтезу поликристаллических алмазных материалов с высоким качеством и сниженным уровнем внутренних напряжений, заключающийся в поэтапном комбинировании нескольких методик синтеза алмаза на разных этапах роста поликристаллической алмазной плёнки на подложке из кремния. На начальных этапах роста двухслойной пленки был использован метод осаждения из газовой фазы в СВЧ плазме (англ. microwave plasma CVD, MW CVD), после чего, в целях достижения итоговой толщины алмазного слоя в ≈100 мкм, использовался метод «горячей нити» (англ. hot filament CVD, HF CVD). В работе было показано, что применение комбинированного роста позволило увеличить размер зерна и теплопроводность полученной пленки на ≈60% при уменьшении изгиба на 57% по сравнению с образцом той же толщины, выращенным только методом «горячей нити». При этом изгиб алмазных пленок, значение которого принципиально для возможности использования таких пластин в электронике, оказался разнонаправленным для образцов, синтезированных лишь методами MW CVD и HF CVD, соответственно. Таким образом, при комбинированном подходе происходит частичная компенсация возникающих в разных слоях напряжений. Уже самое первое использование комбинированного роста позволило уменьшить изгиб сразу в 2–3 раза, что принципиально открывает возможность к достижению околонулевых значений изгиба путём тщательного дизайна синтезируемого материала. Также представленная работа открывает дорогу к изучению и других комбинаций различных типов CVD-синтеза алмаза. Развитие данной новой области исследований будет способствовать улучшению качества и экономической эффективности CVD-синтеза алмаза для его применения в электронике, фотонике, биомедицине, режущем инструменте и т. д.

4. Тонких А.А. (1,2), Рыбковский Д.В. (3), Образцова Е.Д. (1,2)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет), Долгопрудный, Россия
(3) Сколковский институт науки и технологий, Москва, Россия

Индуцированные зарядом изменения структуры одномерного йода внутри одностенных углеродных нанотрубок маленького диаметра

Презентация доклада

На конкурс представлена статья:
Alexander A. Tonkikh, Dmitrii V. Rybkovskiy, Elena D. Obraztsova, “Charge- induced structure variations of 1D-iodine inside thin SWCNTs” Journal of Physical Chemistry C, 127 (6), 3005-3012 (2023) https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c06920
В нашей работе мы представляем экспериментальные результаты по индуцированному зарядом изменению структуры одномерных йодных объектов, сформированных внутри одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с диаметром около 1 нм. Для этого была сконструирована электрохимическая ячейка типа ‒ суперконденсатор, где рабочим электродом являлась пленка из ОУНТ, заполненных йодом. В данном случае нанотрубки играют роль электрического контакта для переноса заряда, а также нанореактора для образования одномерного йода. Известно, что основными единицами, из которых состоят одномерные объекты йода (и других галогенов), являются молекулярные анионы, отличающиеся по заряду на один атом, например I2-, I3-, I5-. Благодаря тому, что эти молекулярные анионы имеют уникальные моды комбинационного рассеяния (КР), мы смогли наблюдать in-situ индуцированную зарядом (легированием) трансформацию одномерных объектов йода внутри ОУНТ. В спектрах КР изменения в структуре одномерного йода проявляются в зависящем от заряда (уровня легирования) перераспределении интенсивности КР мод молекулярных анионов. Так, при электронном легировании (n - тип) системы йод@ОУНТ наблюдается значительное увеличение интенсивности КР моды, связанной с молекулярными анионами I3-, и практически полное подавление моды I5-. При p-легировании наблюдается последовательное подавление моды I3-, а затем I5- моды. Для описания варьирования одномерной структуры йода предложена модель, которая рассматривает одномерный йод как совокупность слабо взаимодействующих анионов. Эта модель дает более глубокое представление о структурных и фазовых переходах вида Пайерлса. С точки зрения прикладных задач, эти результаты являются шагом к производству наноразмерных элементов, свойства которых можно модулировать, а главное, эти изменения можно обнаружить и предсказать. Другим важным применением является использование таких объектов, как маркер локального заряда и распределения заряда по поверхности, например электродов в электрохимических ячейках.

5. Комаров Н.С. (1), Шевлюга В.М. (1), Логинов Б.А. (2), Андрюшечкин Б.В. (1)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) НИУ МИЭТ, Москва, Зеленоград, Россия

Адсорбция хлора на поверхность Ag (110): СТМ и ТФП исследование

Презентация доклада

На конкурс представлена статья:
Nikita S. Komarov, Vladimir M. Shevlyuga, Boris A. Loginov, Boris V. Andryushechkin, Chlorine Adsorption on the Ag (110) Surface: STM and DFT Study, Journal of Physical Chemistry C, 127, (5), 2266−2273, (2023) 2023, February 9. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c06480
Адсорбция молекулярного хлора на поверхность серебра всегда привлекала большое внимание исследователей, ввиду важной роли хлора в промышленной реакции эпоксидирования этилена, в которой он выступает в качестве промотора (приводя к увеличению селективности реакции с 40% до >85%). Понимание коадсорбционных структур из атомов кислорода и хлора невозможно без знаний о структурах, формируемых ими на поверхности серебра по отдельности. В данной статье исследовалась адсорбция хлора на монокристаллическую грань Ag (110). Основными методами исследования были низкотемпературная сверхвысоковакуумная сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и расчеты на основе теории функционала плотности (ТФП).
Было установлено, что на начальной стадии адсорбции хлор образует структуру p (2×1), соответствующую степени покрытия 0.5 монослоя (МС), которая при дальнейшем увеличении покрытия трансформируется в структуру p (3×1), состоящую из димерных рядов. Увеличение покрытия Cl до 0.78 МС приводит к образованию квазигексагональной фазы («с (4×2)») из атомов хлора, хемосорбированных на нереконструированной поверхности серебра (110). При дальнейшей адсорбции хлора в результате реконструкции происходит образование полос со средним периодом приблизительно 25 Å, ориентированных параллельно направлению <001>, что согласуется с результатами расчетов методом ТФП. Таким образом, мы подтвердили образование адсорбированных фаз хлора типа p (2×1) и «c (4×2)», зарегистрировали новую, ранее неизвестную фазу p (3×1), а также обнаружили реконструкцию типа «пропущенного ряда» при насыщении. Кроме того, мы показали, что большинство структурных моделей, предложенных в предыдущих статьях, неверны, и предложили новые модели, согласующиеся с наблюдениями методом СТМ. Учитывая, что большая часть наблюдаемых поверхностных структур в системе Cl/Ag(110) стабильна при 523 К, а десорбция хлора с поверхности серебра происходит при температурах выше 700 К, все описанные структуры хлора в этой работе могут существовать на поверхности серебра при температурах реакции эпоксидирования -- 473−573 K и, следовательно, потенциально могут быть связаны с эффектом увеличения селективности.