Cietvielu elektronisko struktūru datormodelēšanas laboratorijai ir liela pieredze moderno materiālu, to virsmu, saskarņu un nanostruktūru lielā mēroga pirmo principu datormodelēšanā. Šī modernā paralēlā datormodelēšana apvieno komerciāli pieejamo pirmo principu kvantu mehānisko datoru programmu izmantošanu ar pašizstrādāto modernu termodinamisko analīzi, pāru potenciāla pieeju, molekulāro dinamiku, Monte Karlo kinētiku un vienkāršākiem formalizējumiem. Šāda pieeja ļauj iegūt uzticamu modernu materiālu (nanomateriālu) atomu un elektronisku struktūru, kā arī iegūt daudzveidīgu priekšstatu par fizikāli ķīmiskajiem procesiem dažādos materiālos ar daudziem tehnoloģiskajiem pielietojumiem.

Grāds Vārds Uzvārds Amats Telefons E-pasts
Dr.rer.nat. Sergejs Piskunovs Laboratorijas vadītājs 20093610 Sergejs.Piskunovs@cfi.lu.lv
Dr.phys. Dmitrijs Bočarovs Vadošais pētnieks 29622457 m.29622457 Dmitrijs.Bocarovs@cfi.lu.lv
Dr.phys. Roberts Eglītis Vadošais pētnieks 26426703 Roberts.Eglitis@cfi.lu.lv
Dr.rer.nat. Jurijs Mastrikovs Vadošais pētnieks 25985004 Jurijs.Mastrikovs@cfi.lu.lv
MSc. Aleksejs Gopejenko Pētnieks 29558333 Aleksejs.Gopejenko@cfi.lu.lv
MSc. Marija Isupova Cietvielu fiziķe   Marija.Isupova@cfi.lu.lv
Dr.rer.nat. Aleksandrs Sorokins Cietvielu fiziķis   Aleksandrs.Sorokins@cfi.lu.lv
MSc. Oļegs Lisovskis Zinātniskais asistents 26130472 Olegs.Lisovskis@cfi.lu.lv
MSc. Māra Putniņa Zinātniskā asistente   Mara.Putnina@cfi.lu.lv
BSc. Inta Isakoviča Inženiere   Inta.Isakovica@cfi.lu.lv
  1. Nanomateriālu un nanomērogā heterostruktūru elektronisko īpašību aprēķini no pirmajiem principiem
  2. Hibrīdo nanostruktūru ierosinātā stāvokļa aprēķini fotokatalīzei
  3. Neskartu un bojātu nanostrukturētu saskarņu atomu, elektroniskās un magnētiskās struktūras datormodelēšana
  4. Nanostrukturētu ABO3 tipa perovskītu virsmas īpašību aprēķini efektīvai ūdens sadalīšanai
  5. Hibrīdu metālu-oglekļa nanocauruļu īpašību aprēķini
  6. Lādiņa pārneses procesa nanostrukturētos fotoelektrodos aprēķini no pirmajiem principiem
  7. UV fotonu sensoros izmantojamo perspektīvo materiālu izpēte
  8. Nanostrukturēto materiālu vibrācijas īpašību pirmo principu aprēķini
  9. Hibrīda nanostruktūru IR un RAMAN spektru aprēķini
  10. Cu rotāta grafēna adsorbcijas īpašību modelēšana ārējā elektriskajā laukā

Divdimensiju WS2 (0001) nanoslāņu ar dažādu biezumu elektronisko struktūru un fotokatalītisko īpašību ab initio aprēķini

 H2O molekulu sadalīšana pusvadītāju elektrodos saules gaismas apstarošanas laikā ir tīrs un atjaunojams veids, kā ražot ūdeņraža degvielu. Fotokatalīzes efektivitāte bezdefektu elektroda gadījumā ir atkarīga no aizliegtās zonas malu relatīvā stāvokļa (valences joslas augšdaļas un vadamības joslas apakšējās daļas), kas būtu pareizi jāsaskaņo ar oksidācijas un reducēšanas potenciāliem, atdalītajiem par 1,23 eV.

Šajā pētījumā esam veikuši hibrīdus DFT-LCAO aprēķinus WS2 nanoslāņiem stabilā heksagonālā fāzē, kuru biezums ir no 1 līdz 40 monoslāņiem, izmantojot šim nolūkam pielāgoto hibrīda apmaiņas-korelācijas funkcionāli HSE06. Ir konstatēts, ka defektu neskartas WS2 nanoslāņi ir piemēroti fotokatalītiskiem lietojumiem, jo to aizliegtās zonas platums atbilst redzamās gaismas diapazonam starp sarkano un violeto malu (1,5 eV <plaisa <2,7 eV), bet valences joslas augšdaļa un vadamības joslas apakšdaļa ir pareizi novietota attiecībā pret oksidācijas un reducēšanas potenciāliem. Mēs noskaidrojām, ka nanoslāņu aizliegtā zona sašaurinās, pieaugot monoslāņu skaitam slāņveida WS2 2D struktūrā. Vislielākā saules enerģijas konversijas efektivitāte (15–18%), kas parasti tiek sasniegta pie zonas platuma 2,0–2,2 eV (dzeltenā redzamā spektra diapazona daļa), ir konstatēta 2-monoslāņu biezajai stehiometriskajai WS2 (0001) nanostruktūrai. WS2 nanoslānis kā potenciāls materiāls fotokatalīzei neprasa dopingu vai vakanču veidošanos kā, piemēram, pārejas metālu oksīdu nanostruktūru gadījumā. Gluži pretēji, šo defektu klātbūtne var pasliktināt WS2 nanoslāņa fotokatalītisko piemērotību.

Ātrās reakcijas mononanovada fotodetektors, kas balstīts uz ZnO/WS2 serdeņa/čaulas heterostruktūru

Virsmai piemīt ārkārtīgi svarīga loma nanodaļiņu materiālos, kas spēcīgi ietekmē to īpašības. Līdz ar to pat ļoti plāns pārklājums var ievērojami uzlabot nanostruktūru optoelektroniskās īpašības, modificējot gaismas absorbciju un lādiņu nesēju telpisko sadalījumu. Lai izmantotu šīs priekšrocības, tika izgatavotas 1D/1D heterostruktūras no ZnO/WS2 serdeņa/čaulas nanovadiem ar dažu slāņu biezumu. Šīs heterostruktūras tika rūpīgi raksturotas ar skenēšanas un transmisijas elektronu mikroskopiju, rentgenstaru difrakciju un Ramāna spektroskopiju. Pēc tam tika montēta mono nanovada fotorezistīvā ierīce, mehāniski pozicionējot ZnO/WS2 serdeņa/čaulas nanovadus uz zelta elektrodiem skenējošā elektronu mikroskopā.

Šajā darbā ir demonstrēts efektīvs fotodetektors, kas balstīts uz ZnO/WS2 serdeņa/čaulas nanovada. Fotodetektors reaģē uz apgaismojumu viļņu garumos 660 nm, 532 nm un 405 nm. ZnO/WS2 serdeņa/čaulas nanovadu ierīcei ir skaidra priekšrocība, salīdzinot ar tīru ZnO nanovadu balstītu fotodetektoru gan attiecībā uz ātrāku reakciju (4,6 reizes), gan ātrāku darbību (90 reizes) 405 nm apgaismojumam. Fotodetektora joslu diagrammu atbalstīja pirmo principu aprēķini, kas liecināja, ka interfeisa slānim i-WS2, kas savieno ZnO nanovadu virsmu un WS2 čaulu, varētu būt svarīga loma, lai novērstu lādiņu nesēju difūziju ZnO nanovadā, kamēr WS2 čaula kalpo kā lādiņnesēju kanāls ZnO/WS2 heterostruktūrā. Iegūtie rezultāti skaidri parāda 2D TMD materiālu apvienošanas potenciālu ar pusvadītāju nanovadiem, lai radītu jaunas serdeņa/čaulas heterostruktūras ar modernām optoelektroniskajām īpašībām.

Ūdens adsorbcija uz tīra un bojāta anatāzes TiO2 (001)

Nanocaurules virsmas: virsmas zinātnes pieeja

Fotokatalītiskā ūdens sadalīšana tiek uzskatīta par tīru un videi draudzīgu veidu, kā apmierināt globālās enerģijas prasības. Šim nolūkam pētīta dažādu fotokatalizatoru spēja vadīt ūdens sadalīšanas reakciju saules gaismas ietekmē.

Mūsu molekulās dinamikas simulācijas liecina, ka bez defektu anatāzes TiO2 (001) nanotube virsmas ūdens adsorbē molekulāri caur vāju mijiedarbību ar Ti vietām un ūdeņraža saitēm ar virsmas skābekli. Šis saites veids ir spriegumu izraisīta izliekuma efekta sekas, jo mūsu pētījumi ir parādījuši, ka ne nanostrukturēšana ar plātņu biezuma samazināšanu, ne plāno TiO2 (001) kārtiņu izmantošana nemaina daļēji disociētā kontakta slāņa virsmas ķīmiju. Ūdens molekulas veido salīdzinoši spēcīgu ūdeņraža saiknes tīklu, gan monolītā slāņā, gan daudzslāņu (2 ML) kārtiņās. Sēru pievienošana proporcijā (1/18) vājina mijiedarbību starp virsmu un ūdeni, slāpekļa piedeva padara virsmu reaktīvāku pret ūdeni, protonu pārnesot uz virsmu un veidojot NH grupu N vietā, kas notiek katrā pētītajā gadījumā. Pie 2 ML pārklājuma, pat otrā virsmas atbalstītā protonu pārnese notiek ūdens plēves iekšpusē, kā rezultātā veidojas OH- grupa un NH2 jons uz virsmas. Šis efekts notiek tikai bez sēra piemaisījumiem pateicoties vājākai ūdens mijiedarbībai ar nanocauruli. Šīs uzvedības sekas uz ierosināto stāvokļu blīvumu būs jāizpēta nākamajā publikācijā.

Pozīciju simetrijas pieeja MgAl2O4 špineļa ar starpmezglu skābekli superšūnas modelim: ab initio aprēķini

Trīskāršie špineļveida AB2O4 oksīdi, kas pazīstami un pētīti diezgan ilgu laiku, pieder pie progresīvo savienojumu klāsta ar dažādām elektriskām, magnētiskām un optiskām īpašībām. Magnija aluminātam (MgAl2O4) ar špineļa struktūru, gan kristāliskā, gan keramiskā stāvokli, ir raksturīga kubiskā blīvi iepakota telpiskā kristāliskā morfoloģija, augsts caurspīdīgums no redzamā līdz infrasarkanā viļņa garuma diapazonam, pastiprināta izturība un paaugstināta kušanas temperatūra, lieliska ķīmiska un radiācijas pretestība, kā arī zemi elektriskie zudumi.

Pozīciju simetrijas metode, ko izmanto dažādām neitrāla starpmezglu Oi konfigurācijām MgAl2O4 špineļa L4 un L8 superšūnās, balstās uz sadalīto Vaikofa (Wyckoff) pozīciju grupu teoriju analīzi perfektā kristālā. Veicot šo analīzi, esam salīdzinājuši piecas iespējamās telpiskās konfigurācijas skābekļa atomu ievietošanai špineļa struktūras starpmezglu pozīcijās. Kā bija gaidīts, starpmezglu atoma konfigurācija, kurai ir visaugstākā simetrija superšūnas modelī, nodrošina visaugstāko veidošanās enerģiju, savukārt Oi atomu izvietojums mazāk simetriskās špineļa režģa vietās būtu izdevīgāks enerģētiski, jo Eform vērtības ir 5–6 reizes mazākas.

Gads

SCOPUS publikāciju skaits

Prezentāciju skaits konferencēs

2015

15 (1 sadaļa monogrāfijā)

49

2016

14 (1 sadaļa monogrāfijā)

36

2017

17

38

2018

23 (1 monogrāfija, 1 sadaļa monogrāfijā)

28

2019

7

11

Itālija:

  • Nacionalās Fraskati laboratorijas(INFN), Frascati (Rome), Italy (Dr. S. Bellucci).

Kazahstana:

  • L.N. Gumilyova Eirāzijas Nacionālā Universitāte (Fizikas un tehniskās zinātnes fakultāte), Norsultana, Kazakhstan (Prof. A.T. Akilbekov).

Ķīna:

  • Izglītības ministrijas zinātņu klastera atslēglaboratorija, Pekinas Tehnoloģijas institūts, Pekina, Ķīnas tautu republika (Dr. H. Shi).
  • Džilinas universitātes Teorētiskās ķīmijas institūts, Čančunga, Ķīnas tautu republika (Dr. R. Jia).

Krievija:

  • Vispārējas un neorganiskās ķīmijas institūts, Krievijas Zinātņu akadēmija, Maskava, Krievijas Federācija (Prof. P.N. Dyachkov);
  • San-Petersburgas valsts universitāte (Ķīmijas fakultāte), Petrodvoreca (St. Petersburg), Krievijas Federācija (Prof. R.A. Evarestov).

Šveice:

  • Paula Šērera Institūts, Villigene, Šveice (Dr. M. Krack).

Vācija:

  • Disburgas-Esenes Universitāte (Teorētiskā ķīmija), Esene, Vācija (Prof. Dr. E. Spohr);
  • Lietišķõ materiālu institūts (KIT), Karlsrūe, Vācija

Jing Wang, M.-Y. Wang, G. Yin, R. Jia, Jian Wang, R.I. Eglitis, H.-X. Zhang. Nickel-catalyzed carboxylation of aryl zinc reagent with CO2: A theoretical and experimental study. Journal of CO2 Utilization, 2019, 29, pp. 262-270.

D. Bocharov, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, and R.A. Evarestov, Ab Initio calculations on the electronic structure and photocatalytic properties of two-dimensional WS2 (0001) nanolayers of varying thickness. Phys. Status Solidi RRL, 2018, 12, 1800253 (pp. 1-6).

Yu.F. Zhukovskii, S. Piskunov, O. Lisovski, D. Bocharov, and R.A. Evarestov, Doped 1D nanostructures of transition-metal oxides: first-principles evaluation of photocatalytic suitability (Review). Isr. J. Chem., 2017, 57, p. 461-476.

A. Platonenko, S. Piskunov, D. Bocharov, Yu.F. Zhukovskii, R.A. Evarestov, and S. Bellucci, First-principles calculations on Fe-Pt nanoclusters of various morphologies. - Sci. Rep., 2017, 7, 10579 (p. 1-8).

B. Polyakov, A. Kuzmin, K. Smits, J. Zideluns, E. Butanovs, J. Butikova, S. Vlassov, S. Piskunov, and Yu.F. Zhukovskii, Unexpected epitaxial growth of a few WS2 layers on {11̅00} facets of ZnO nanowires. - J. Phys. Chem. C, 2016, 120, p. 21451−21459.

S. Piskunov, O. Lisovski, J. Begens, D. Bocharov, Yu.F. Zhukovskii, M. Wessel, and E. Spohr, C‑, N‑, S‑, and Fe-doped TiO2 and SrTiO3 nanotubes for visible-light-driven photocatalytic water splitting: Prediction from first principles. - J. Phys. Chem. C, 2015, 119, p. 18686−18696.

S. Piskunov and E. Spohr, SrTiO3 nanotubes with negative strain energy predicted from first principles. - J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, p. 2566–2570.

Yu.F. Zhukovskii, P. Balaya, E.A. Kotomin, and J. Maier, Evidence for interfacial-storage anomaly in nanocomposites for lithium batteries from first-principles simulations. - Phys. Rev. Letters, 2006, 96, 058302 (p. 1-4).

S. Piskunov, E. Heifets, E.A. Kotomin, J. Maier, R.I. Eglitis, and G. Borstel, Hybrid DFT calculations of the atomic and electronic structure for ABO3 perovskite (001) surfaces. – Surf. Sci., 2005, 575, p. 75-88.

S. Piskunov, E. Heifets, R.I. Eglitis, and G. Borstel, Bulk properties of SrTiO3, BaTiO3 and PbTiO3 perovskites: an ab initio HF/DFT study. - Comput. Mater. Sci., 2004, 29, p. 165-178.

Dmitrijs Bočarovs, 5. aprīlī 2018.g., Populārzinātniskā saruna par zinātni un pēcdoktorantūras projekta aktivitātēm: http://lr4.lsm.lv/lv/raksts/priroda-veschey/smena-paradigmi-sovremennoy-latviyskoy-nauki-teorija-i-praktika.a101981/