Vislielākais burtu izmērs
Lielāks burtu izmērs
Burtu standarta izmērs
Pētniecības virzieni
Pēdējās izmaiņas veiktas:
28.10.2017

Pētniecības virzieni:

  1. Elektronisko struktūru datormodelēšana ideālām un defektīvām kristāliskām struktūrām tilpumā (3D) un virsmā (2D)
  2. Monoperiodiskie (1D) un neperiodiskie (0D) nanomateriāli: morfoloģija, elektroniskā struktūra un fotokatalītiskās īpašības
  3. Izkliedes teorijas attīstīšana un tās praktiskie pielietojumi nanokompozītu modelēšanā

1. Elektronisko struktūru datormodelēšana ideālām un defektīvām kristāliskām struktūrām tilpumā (3D) un virsmā (2D)

Viens no mūsu darbības virzieniem ir dažādu funkcionālo materiālu liela mēroga elektronisko struktūru modelēšana. Šo struktūru izpratne palīdzēs novērtēt un interpretēt materiālu fononu struktūru, kā arī to elastīgās un termodinamiskās īpašības. Mēs pielietojam paralēlo datoru elektronu struktūru aprēķinu metodes, kas balstās uz pirmajiem principiem (ab initio), t. sk., plakano viļņu (PW) vai lokalizēto atomu orbitāļu (LCAO) formālismu, izmantojot VASP vai CRYSTAL programmas attiecīgi. Kristālu un klasteru daudzatomu struktūru hamiltoniāna konstruēšanai mēs izmantojam blīvuma funkcionāļu teoriju (DFT) vai hibrīdo formālismu DFT-HF (daļēji pielietojot Hartrī-Foka tuvinājumu). Laika periodā no 2015. līdz 2017. gadam mēs esam izpētijuši dažadus cietvielu materialus, kas ir svarīgi enerģētikā un materiālzinātnē. Mūsu jaunākie pētījumi iekļauj: (a) apreķius tilpuma fazē un virsmas ABO3 perovskites (piemēram, to cietie šķīdumi un interfeisi starp citu plāno perovskites plākšņu pamatnēm), (b) skandija fluorīda tilpuma fāzi (ScF3), (c) Y2O3 – un Y2Ti2O7 – nostiprināti tērauda tilpuma fāzes materiāli (ODS), ko izmanto kodolsintēzes reaktori, (d) formālisma site symmetry punktu defektu aprakstiem divu tipu tilpuma fāzes oksīdiem: vurcit-tipa ZnO (oglekļa atoms aizstāts ar skābekļu CO ) un α-Al2O3 (skābekļa starpmezglu Oi regulārā korunda režģī).

(a)                                                                            (b)                             (c)

1a. Perfektu un defektīvu perovskitu (tilpuma fāzes un virsmu) simulācija

Skice (001) interfeis starp diviem perovskitiem PbTiO3 un SrTiO3 (a). SrTiO3 (001) pamatne tiek numurēta ar arābu cipariem. Romiešu skaitļi tiek izmantoti, lai uzskaitītu plaknēm glabāšanā PbTiO3 (001) filmas. Cipars nulle tiek izmantots simetriski terminētai 11-slāņu SrTiO3 substrata centrālajai plāksnei. Triju elementāršūnu adsorbata plāksnes PbTiO3/SrTiO3 (001) heterostruktūras (b) vai četru elementāršūnu plāksnes (c) stāvokļu blīvums, izrēķināts ar hibrīdo B3PW apmaiņas-korelācijas funkcionāli. Enerģijas skala ir parādīta saskaņā ar vakuuma līmeni. Atsauce: R.I. Eglitis, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, “Ab initio calculations of PbTiO3/SrTiO3 (001) heterostructures”. – Phys. Stat. Sol. (c) 13, p. 913–920 (2016).

Kā seko no Attēliem (b) un (c), kuru stāvokļu blīvuma grafiki satur redox līmeņus εO2/H2O un εH+/H2, (sarkans un zils, attiecīgi), PbTiO3/SrTiO3 (001) heterostruktūras, kas satur pāra skaita atomāros PbTiO3 nanoslāņus, var tikt uzskatītas par potenciāliem kandidātiem fotokatalītiskajiem pielietojumiem, kamēr nepāra skaita PbTiO3 slāņi neļauj to, ka Vienādojuma eVB < εHOIL < εO2/H2O < εH+/H2 < εLUIL < εCB prasības netiek izpildītas (jo valences zonas virsotne εVB pārklājas ar εO2/H2O līmeni, kas noved pie ierosinātu elektronu un elektronu caurumu rekombinācijas).

Modeļu shematiskie attēli ar kubiskajām 2x2x2 PbZrxTi1-xO3 (PZT) elementāršūnām: a) x = 0, b) x = 0.125, c) x = 0.25, d) x = 0.375, e) x = 0.5, f) x = 0.625, g) x = 0.75, h) x = 0.875, i) x = 1.0. O, Pb, Ti un Zr atomi tiek parādīti kā mazās sarkanās, lielās melnās un vidējās gaiši zīlās lodītes, attiecīgi.

Vara cirkonāta-titanāts Pb(ZrxTi1-x)O3 tiek uzskatīts par vienu no progresīvākājiem feroelektriskajiem un piezoelektriskajiem materiāliem. Pakāpensika Zr (Ti) koncentrāciju variēšana būtiski ietekmē atomārās un elektroniskās PZT struktūras īpašības. Lai veiktu vara cirkonāta-titanāta dažādu morfoloģiju ab initio modelēšanu, mēs izmantojām hibrīdā blīvuma fukncionāļa B3PW pieeju, īstenotu CRYSTAL’14 programmā. Šajā pētījumā mēs veicām liela mēroga tādu PZT parametru aprēķinus kā optimizētas režģa konstantes, atomu lādiņu un saišu populācijas, kā arī zonu struktūru (piemēram, azliegta zona) un stāvokļu blīvumus

Reference: A. Gopejenko, S. Piskunov, and Yu.F. Zhukovskii, “Ab initio modelling of the effects of varying Zr (Ti) concentrations on the atomic and electronic properties of stoichiometric PZT solid solutions”. - Comput. Theor. Chem., 2017, 1104, p. 56-60.

1b. Skandija ftorīda simulēšana

Skandija ftorīds (ScF3) ar tā kubiskā ReO3-tipa struktūru piesaista daudz zinātniskās intereses, pateicoties materiāla stiprai negatīvās termiskās izplešināšanās spējai (negative thermal expansion, NTE) plašā temperatūru diapazonā no 10 līdz 1100 K. Šeit mēs izmantojām rentgenstaru difrakcijas un rentgenstaru absorbcijas paplašinātās smalkās struktūras spektroskopijas metodi (diffraction and extended X-ray absorption fine-structure spectroscopy (EXAFS)), lai interpretētu negatīvās termālās izplešanās ietekmi uz ScF3 infrasarkanā absorbcijas spektra temperatūras atkarību. Oriģināla infrasarkanā absorbcija un EXAFS eksperimenti plašā temperatūru diapazonā tiek prezentēti un interpretēti izmantojot ab initio režģa dinamikas simulēšanu kvasi-harmonisko tuvinājumu ietvaros un ārpus tiem. Ab initio elektroniskās struktūras aprēķini, balstīti uz atomāro orbitāļu lineārās kombinācijas metodi ar hibrīdiem funkcionāliem ir spējīgi labi reproducēt režģa parametra a0 un aizliegtās zonas platuma Degap vērtības, kā arī režģa dinamiku skandija triftorīdā.

Tomēr simulēšana ar kvasi-harmoniskajiem tuvinājumiem nespēj reproducēt divu infrasarkanu joslu temperatūras atkarību F–Sc–F saišu saliekšanas (pie (at 220 cm−1) un Sc–F saišu izstiepšanas (pie 520 cm−1) dēļ. Šis modas atrodas IS absorbcijas spektrā. Lai atrisinātu šo problēmu, tiek piedāvāts risinājums ārpus kvasi-harmonisko tuvinājuma: tas ņem vērā režģa negatīvās termālās izplēšanās un fluora atomu novirzes stipras F vibrācijas kustības, perpendikulāras kubiskā režģa asīm, un ļauj kvalitatīvi paskaidrot infrasarkanā ScF3 spektra temperatūras atkarību.

ScF3 struktūras shematiskais attēls ar iezīmēto ScF6 oktaedru. Leņķis Sc-F-Sc tiek apzīmēts ar γ. (Mazās zilās lodītes ir fluora atomi, un lielākās melnās lodites atbilst skandija atomiem). Reference: S. Piskunov, P.A. Žguns, D. Bocharov, A. Kuzmin, J. Purans, A. Kalinko, R.A. Evarestov, S.E. Ali, and F. Rocca, Interpretation of unexpected behavior of infrared absorption spectra of ScF3 beyond the quasi-harmonic approximation. – Phys. Rev. B, 2016, 93, 214101 (p. 1-9).

1c. Y2O3- un Y2Ti2O7- pastiprinātas dzelzs tilpuma fāzes materiālu (ODS) periodisko modeļu simulēšana

Ar Y2O3 pastiprinātu ODS tērauda pielietojums ļauj paaugstināt darba temperatūru nākotnes kodoltermiskajiem reaktoriem. Oksīdu daļiņu izmēra un telpiskā sadalīšanās būtiski ietekmē ODS tērauda mehāniskās īpašības un radiācijas aizsardzības spēju. Reference: A. Gopejenko, Yu.F. Zhukovskii, E.A. Kotomin, Yu.A. Mastrikov, P.V. Vladimirov, V.A. Borodin, and A. Möslang, Ab initio modelling of Y–O cluster formation in fсс-Fe lattice. Phys. Stat. Sol. B, 2016, 253, p. 2136-2143). Metāliskā Ti pievienošana (kas ietilps dzelzs kristāliskā režģī arī kā dabisks defekts) Y2O3 pulvera daļiņās pirms to mehāniskās sakausēšanas noved pie Y2Ti2O7 nanodaļiņu formēšanas ODS tēraudos. Šajā gadījumā vidējais ODS daļiņu izmērs samazinās līdz 5 nm, kas ir ievērojami mazāk par bezdefektu Y2O3 daļiņām (10-20 nm). Šie rezultāti ir jāņēm vērā, pētot Y un O atomu, divu Ti un O atomu, kā arī Y, Ti un O atomu mijiedarbību.

(a)         (b)      (c)      (d)       (e)     (f)       

(a), (c) un (e) konfigurācijās skabekļa atomi aizvieto Fe atomus, kamēr (b), (d) un (e) konfigurācijās tie ir izvietoti tukšās oktahedrālās fcc-Fe režģa vietās. Visos modeļos skābekļa defektu atomi ir izvietoti uz tuvākā kaimiņa distances (first nearest neighbor, 1NN) no metāliska defekta atoma, fiksēta kā TiFe un YFe substitūts.

1d. Kristalografiskās simetrijas formalisma pielietojums punkta defektu metāla oksīdu divu tilpuma fāžu struktūru aprakstīšanai

C-dopēts ZnO ir viens no perspektīvajiem materiāliem tehnoloģiskajiem pielietojumiem, pateicoties tā ferromagnetismam, kuru novēro pie telpas temperatūras. Kristālografiskās simetrijas pieeja, pielietota CO dopantiem ZnO kristālā, balstas uz sadalītu Wikofa pozīciju perfekta kristāla superšūnās ar dažādu paplašinājumu grupu teorijas analīzi. Superšūnas modeļa pielietošana vurcita-struktūrās ZnO ar oglekļa defektiem modelēšanā parāda, ka aprēķināta punkta defektu formēšanas enerģija ir augstā pakāpē atkarīga no aizvietojamo atomu kristalogrāfiskās simetrijas superšūnā.

Dopantu izvietojums mazāk simetriskās S1 un S2 kristālografiskās pozīcijās ZnO režģī ir enerģētiski daudz izdevīgāks nekā būtiski simetriskākajās un tradicionāli izmantotās S6 pozīcijas. (Eform vērtības ir ~6 reizes augstākas). Kristālografiskās simetrijas ietekme uz C-dopētas ZnO tilpuma fāzes elektroniskās struktūras ir labi pārskatāma lielo superšūnu gadījumā ar reducētām defekts-defekts periodiskām mijiedarbībām.

Mūsu apskatīto ZnO:C superšūnu aksonometriskie attēli: (a) L4; (b) L18; (c) L24; (d) L32 un (e) L48. Mazās sarkanās lodītes ir O atomi, lielās pelēkās lodītes ir Zn, kamēr C atomi, kas aizvieto oriģinālus O atomus, tiek attēloti ar dzeltenām lodītēm. Izvēlētas pozīcijas ir iezīmētas. Šī attēla leģendas krāsas atsauču interpretācijai lūgums vērsties uz šīs publikācijas web versiju. Atsausce: R.A. Evarestov, S. Piskunov, and Yu.F. Zhukovskii, Site symmetry approach in the supercell model of carbon-doped ZnO bulk. – Chem. Phys. Lett., 2017, 682, p. 91-95.

α-Al2O3 ierastas superšūnas (120 atomi) skats no augšas (augšā) un no sāna (lejā). Iespiešanas defektu pozīciju izvietojums tiek parādīts ar dažādām krasām: S6 (melns), S3 (dzeltens), S2 (zils), un S1 (pelēks).

Izmantojot kristālografiskās simetrijas analīzi, četras iespējamās iespiešanas skābekļa defekta pozīcijas a-Al2O heksagonālā struktūrā, S1, S2, S3 un S6, bija identificētas un izpētītas. Attiecīgo atomāro un elektronisko struktūru ar iespēšanas O atoma defektiem dažādās pozīcijās ab initio hibrīdā funkcionāļa aprēķini parādīja enerģijas starpības ap ~1.5 eV. Šī pieeja ļauj mums dabūt viszemākās enerģijas konfigurāciju, kas atbilst viszemākajai S1 simmetrijai, izvairoties no datorlaika ziņā dargājiem aprēķiniem. Bija parādīts, ka tripleta skābeklis bezbarjera tiek nobīdīts tuvāka regulāra skābekļa jona virzienā, formējot singleta hanteles konfigurāciju ar enerģijas pieaugumu ~2.5 eV apmērā. Hanteles struktūras lādiņš un telpiskā struktūra tiek aprspriesta. Mūsu rezultāti ir svarīgi, partikulāri, a-Al2O3 un citu oksīdu kristālu radiācijas īpašību un stabilitātes izprašanai. Atsauce: R.A. Evarestov, A. Platonenko, D. Gryaznov, Yu.F. Zhukovskii, and E.A. Kotomin, First-principles calculations of oxygen interstitials in corundum: a site symmetry approach. – Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, p. 25245-25251.

2. MONOPERIODISKIE (1D) UN NEPERIODISKIE (0D) NANOMATERIĀLI: MORFOLOĢIJA, ELEKTRONISKĀ STRUKTŪRA UN FOTOKATALĪTISKĀS ĪPAŠĪBAS

Efektīgai oglekļa, alumīnija un bora nitrīdu, titāna dioksīda, kā arī stroncija titanāta nanocauruļu konstruēšanai un īpašību modelēšanai mēs pielietojam 3D→2D→1D strukturālas pārejas no tilpuma fāzes uz 1D fāzēm. Viensienu nanocauruļu līdzsvara konfigurācijām tiks analizētas elastīgās enerģijas, fononu un zonu struktūras. Dubultsienu nanocauruļu līdzsvara konfigurāciju atrašanai tika izvēlēts enerģijas parametrs, kas atbilst starpsienu mijiedarbības enerģijas maksimumam. Liela mēroga aprēķiniem no pirmajiem principiem mēs izmantojam tikai DFT-LCAO metodi lokalizēto atomāro orbitāļu (LCAO) formālisma ietvaros (CRYSTAL programma). Tas ir pamatots, galvenokārt, lai izvairītos no 3D modeļu izmantošanas, arī gadījumos, kad nepieciešams optimizēt attālumu starp periodiski sadalītām nanocaurulēm, lai mijiedarbību starp tām varētu neievērot. Sākot ar CRYSTAL09 programmas versiju, nanocauruļu konstruēšanai tiek izmantots speciāls parametrs (NANOTUBE). (Iepriekšējās versijās lineāro grupu formālisms tiek pielietots nanocauruļu simetrijas analīzei 1D polimēru grupu ietvaros, izmantojot parametru POLYMER.) Jebkuru nanocauruli ir iespējams salocīt dažādi – dažādi novietojot hiralitātes un translācijas vektorus. Hiralitātes vektors tiek novietots gar plaknes iedomāto malu, kura kļūst par nanocaurules apriņķi nosacītā salocīšanas procesā. Savukārt translācijas vektors ir vektors, kura virziens sakrīt ar nanocaurules asi. Lai atšķirtu vienas un tās pašas konfigurācijas dažādus nanocauruļu veidus, tiek ieviesti tā sauktie hiralitātes indeksi. Tie arī nosaka hiralitātes vektora novietojumu (un attiecīgi translācijas vektora novietojumu, jo tie ir perpendikulāri) un arī garumu. Šie skaitļi apzīmē formulvienību skaitu, kas piemīt hiralitātes vektoram. Tas ir, jo lielāki indeksi, jo lielāks ir nanocaurules diametrs.

10 gadu laikā, kopš 2005. gada mēs nopublicējām vairāk nekā 25 rakstus, veltītus slāņaino oglekļa un bora nitrīda, kā arī neslāņaino AlN, TiO2 un SrTiO3 nanocuruļu ar dažādiem hiralītātes indeksiem un morfoloģijām ab initio simulēšanai. Turklāt mēs piedālījāmies divos EC FP7 projektos: CATHERINE (2007-2010) un CACOMEL (2011-2014), kas bija veltīti kā perfekto, tā arī defektus saturošo oglekļa nanocauruļu, pielietotu galvenokārt elektronikā, īpašībām. (cf. references: 1. Y.N. Shunin, Yu.F. Zhukovskii, N. Burlutskaya, and S. Bellucci, Resistance simulations for junctions of SW and MW carbon nanotubes with various metal substrates. - Centr. Eur. J. Phys., 2011, 9, p. 519-529; 2. Yu.F. Zhukovskii, S. Piskunov, E.A. Kotomin, and S. Bellucci, Simulations on the mechanism of CNT bundle growth upon smooth and nanostructured Ni as well as θ-Al2O3 catalysts. - Centr. Eur. J. Phys., 2011, 9, p. 530-541; 3. Yu.N. Shunin, Yu.F. Zhukovskii, N. Burlutskaya, and S. Bellucci, Theoretical simulations on electric properties of CNT-Me and GNR-Me interconnects using effective media approach. - Procedia Computer Science, 2011, 7, p. 343–345; 4. Yu.F. Zhukovskii, S. Piskunov, and S. Bellucci, Double-wall carbon nanotubes of different morphology: electronic structure simulations. - Nanosci. Nanotechnol. Lett., 2012, 4, p. 1074-1081; 5. Yu.F. Zhukovskii, E.A. Kotomin, S. Piskunov, and S. Bellucci, CNT arrays grown upon catalytic nickel particles as applied in the nanoelectronic devices: Ab initio simulation of growth mechanism. - Proc. NATO ARW „Nanodevices and Nanomaterials for Ecological Security”, Eds. Yuri N. Shunin and Arnold E. Kiv; Springer: Dordrecht, 2012, p. 101-114; 6. J. Kazerovskis, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, P.N. D'yachkov, and S. Bellucci, Formation of linear Ni nanochains inside carbon nanotubes: Prediction from density functional theory. - Chem. Phys. Lett., 2013, 577, p. 92-95).

Mēs pētījām arī perfektās un defektu saturošās TiO2 un SrTiO3 nanocaurules, piemērotas pielietošanai fotokatalizatoru lomā (1. R.A. Evarestov, A.V. Bandura, M.V. Losev, S. Piskunov, and Yu.F. Zhukovskii, Titania nanotubes modeled from 3- and 6-layered (101 ) anatase sheets: Line group symmetry and comparative ab initio LCAO calculations. – Phys. E, 2010, 43, p. 266-278; 2. R.A. Evarestov, Yu.F. Zhukovskii, A.V. Bandura, and S. Piskunov, Symmetry and models of single-walled TiO2 nanotubes with rectangular morphology. - Centr. Eur. J. Phys., 2011, 9, p. 492-501; 3. S. Piskunov and E. Spohr, SrTiO3 nanotubes with negative strain energy predicted from first principles. - J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, p. 2566–2570; 4. Yu.F. Zhukovskii, S. Piskunov, J. Begens, J. Kazerovskis, and O. Lisovski, First-principles calculations of point defects in inorganic nanotubes. - Phys. Stat. Sol. B, 2013, 250, p. 793-800; 6. 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).

Sākot no 2016. gada, mēs esam iesaistīti H2020 ERA.Net RUS Plus projektā WATERSPLIT, kas ir veltīts aptverošai neorganisko nanofotokatalizatoru simulēšanai. Mūsu pašreizējie ab initio nanostruktūru pētījumi, veikti WATERSPLIT projekta ietvaros, ietver: (a) slāņainā WS2 un citu pārejas metālu halkogenīdu nanoplāksnes un nanocaurules; (b) perfektus un dopētus ZnO nanovadus; (c) core-shell (kodols-čaula) wurzita struktūras ZnO nanovadus, pārklātus ar prizmātisko WS2 nanoplāksni; (d) Fe-Pt 0D nanoklasterus.

Precīzākai H2O molekulu disociācijas uz elektrolītā iegremdētā nanokatalizatora virsmas ar vienlaicīgu udeņrāža molekulu iegūšanu uz elektrodiem aprakstīšanai mēs izmantojām nanopusvadītāju ierosināto stāvokļu un molekulāras dinamikas simulēšanu.

2a. Perspektīvo nanofotokatalizatoru - WS2 nanoplākšņu (2d) un viensienas nanocauruļu (1D) - simulēšana

Augšējais (pa kreisi) un sāna (pa labi) skats, WS2(0001) nanoplāksnes ar vienu vai diviem slāņiem un aizliegtās zonas malu pozīciju maiņa atkarībā no n (centrā), salīdzinājumā ar reducēšanas un oksidēšanas potenciāliem (e H+/H2 un eO2/H2O, attiecīgi).

Dažu WS2 slāņu nanoplākšņu veidošana bija eksperimentāli novērota uz ZnO nanovadiem un a-Al2O3 substrātiem. Mēs atklājām, ka WS2 (0001) nanoplāksnes ar biezumu starp 1 un 10 monoslāņiem ir izcili piemērotas fotokatalītiskajiem pielietojumiem – pat bez vakancēm un dopantiem struktūrā, jo to aizliegtās zonas De atbilst redzamas gaismas diapazonam starp sarkano un violeto apgabalu (1.5 eV < Degap < 2.7 eV). Bezdefektu WS2 ­tilpuma fāze (3D, tās eksperimentāli noteikta aizliegtās zonas platība Degap ir »1.3-1.4 eV un mūsu aprēķinātā 1.58 eV) var tikt uzskatīta par bezdefektu WS2(0001) nanoplāksnes pakāpenisku slāņa daudzuma pieaugumu (tās Degap vienam monoslānim mūsu aprēķinu gaitā bija novērtēta vienāda ar 2.53 eV), jo aizliegtās zonas platums samazinas līdz ar nanoplāksnes biezuma pieaugumu. Visām apskatāmām WS2 nanoplāksnēm valences zonas augšēja mala un vadītspējas zonas apakšējā mala (eVB and eCB ) ir izdevīgi izvietotas attiecībā pret oksidēšanas un reducēšanas potenciāliem ar atstarpi 1.23, attiecīgi, i.e., eVB < eO2/H2O < e H+/H2 < eCB. Šī pētījuma ietvaros izdarītie ab initio aprēķini bija veikti ar hibrīda Elektronu Blīvuma Funkcionāļa teorijas un Hartree-Fock metodi (izmantojot HSE0 hamiltoniānu), atbilstoši adaptētu un rūpīgi verificētu WS2 tilpuma fāzes un nanoplākšņu atomāras, elektroniskās un fononu struktūras reproducēšanai. Visaugstākā saules enerģijas konversijas efektivitāte (15-18%), kas tiek parasti sasniegta Degap = 2.0-2.2 eV gadījumā (dzeltenas-zaļas krāsas redzamā spektra apgabals), mūsu pētījuma ietvaros ir noteikta 2 monoslāņu biezajai WS2 (0001) nanoplaksnei.

Pakāpeniski augošā viensienas ac – un zz-WS2 nanocauruļu elektroniskā struktūra tika simulēta diametru robēžās no 1.0-1.2 nm līdz 5.0-8.8 nm. Diametra noteikšanai bija izmantots W atomus saturošais slānis. Tā kā WS2 monoslāņa biezums ir vienāds ar ~0.3 nm, secinājumi par egap atkarību no dNT paliek līdzīgi.

2b. Bezdefektu un dopētu vurcita struktūras 1D ZnO [0001]-orientētu nanovadu, uzskatītu par perspektīviem fotokatalizatoriem, modelēšana

 

Šķērsgriezuma (a) un sāna (b) dopētu vurcita struktūras heksagonālo ZnO nanovadu, multiplicētu 6 x 6 atomāro čaulu veidā apkārt uz tukšuma centrētas ass, attēli. Nanovada elementāršūna satur 216 formulvienības (jeb 432 = 12 x 62 atomus). Diametrs un periods ir parādīti ar dubultām bultiņām dNW (a) un lNW (b) attiecīgi. Dopantu izvietojuma piemērs ar 3% koncentrāciju ir dots. Zn un O atomi ir parādīti attiecīgi ar sarkaniem un pelēkiem aplīšiem. Ārējie (dzeltenie) un iekšējie (zaļie) dopantu izvietojuma varianti ir parādīti. Elementāršūnas dažādi lielumi, diametri un dopantu koncentrācijas tiek analizēti mūsu pētījumā. Reference: 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.

Vurcita tipa ZnO nanovadu regulārā heksagonālā struktūra var tikt izveidota tikai ja nanovada ass ir orientēta [0001] kristalografiskajā virzienā, un nanovads ir centrēts uz tukšumu. Patvaļīgas konfigurācijas nanovadi var tikt stabilizēti, kad tie tiek terminēti ar sānu fasetēm ar viszemāko iespējamo virsmas enerģiju starp visām vurcita struktūras virsmām. Šī prasība tiek izpildīta sešu identisko ZnO virsmu un fasete. Pēdēja CRYSTAL’14 programmas versija, izmantota ZnO nanovadu aprēķiniem, satur jaunu opciju NANOROD, kas ļauj lietotājiem ģenerēt dažādi strukturētus nanovadus, iestatot to sānu virsmu atbilstoši izvēlētus Millera indeksus un vienlaikus definējot to kristalografiskās orientācijas.

2c. Simulations and experimental verification of Core-shell („kodols-čaula”) ZnO WS2{0001} nanovadu simulācijas un eksperimentālā verifikācija

Core-shell un multi-shell nanovadi ir moderno aksiāli un radiāli heterostrukturētu nanomateruālu tipi, kas tiek intensīvi pētīti pēdējo gadu desmitu laikā. Šādam kompleksam nanomateriālam ir vairākas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar ierastiem 2D materiāliem: tas, piemēram, ļauj kombinēt materiālus ar kristālisko režģu nesaskaņojumu un pat iniciēt čaulas materiāla epitaksiālo augšanu uz kodola pamata. Epitaksiālā čaula, kas sastāv no WS2 monoslāņa, bija pirmo reizi izaudzēta uz ZnO NW kodola izmantojot noteikto procedūru. Amorfais WO3 slānis bija deponēts uz ZnO nanovadu kārtojuma un konvertēts par WS2 S atmosfērā pie 800 °C temperatūras. Bija konstatēts, ka tipisks WS2 čaulas biezums ir 1-5 monoslāņi. WS2 fāzes veidošana bija apstiprināta ar TEM pētījumiem, kā arī ar Ramana izkliedes un optiskās spektroskopijas metodi.

(a) Optimizēto ZnO ( )/striped 0.5 ML WS2( )/WS2(0001) interfeisa modeļu uzklāšana uz ZnO/WS2 core−shell nanocaurules TEM attēla (mēroga skala attēlā atbilst 1 nm) un tā paša interfeisa šķēsgriezumi (b) () un (c) (0001) plaksnēs. Mazās sarkanās, vidējās dzeltenās un lielās zaļās lodītes atbilst O, S, ZN un W atomiem, attiecīgi. Ašu indeksi atbilst ZnO nanovadiem. Atsauce: Boris Polyakov, Alexei Kuzmin, Krisjanis Smits, Janis Zideluns, Edgars Butanovs, Jelena Butikova, Sergei Vlassov, Sergei Piskunov, and Yuri F. Zhukovskii, Unexpected epitaxial growth of a few WS2 layers on {} facets of ZnO nanowires. - J. Phys. Chem. C 2016, 120, p. 21451−21459

2d. Fe-Pt 0D nanoklasteri

Bimetāliskas Fe-Pt nanodaļiņas ar L1o struktūru ir uzmanības fokusā, pateicoties to augstai magnetokristāliskajai anizotropijai un augstai koercivitātei, kas padara tos par potenciāliem materiāliem ultra augsta blīvuma magnetisko datu uzglabašanai. Fe-Pt nanoklasteri tiek arī uzskatīti par nanokatalizatoriem dažādu hiralitāšu oglekļa nanocauruļu audzēšanai. Izmantojot DFT-LCAO CRYSTAL’14 programmu, mēs veicam liela mēroga spin-polarizētus aprēķinus 19 dažādām Fe-Pt poliedrālām struktūrām, lai novērtētu, kāda ikosaedrāla vai hcp-strukturēta morfoloģija ir enerģētiski visizdevīgākā. Visu augšminēto nanodaļiņu virsmas enerģijas aprēķini parāda, ka globāls minimums atbilst nanoklasteram ar ikosaedra “sīpola-tipa” struktūru un Fe43Pt104 morfoloģiju, kur ārējais slānis sastāv no Pt atomiem. Pt-bagātināta slāņa klātesība apkārt Fe-Pt kodolam izskaidro augstu pretoksidēšanas aizsardzību un stabilitāti, abas īpašības novērotas eksperimentāli.

Izvēlēti ikosaedrāli (pa kreisi) un hcp (pa labi) nanoklasteru modeļi ar ”sasaldēto” sākotnējo morfoloģiju (pirms ģeometrijas optimizācijas). Reference: 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).

3. IZKLIEDES TEORIJAS ATTĪSTĪBA UN TĀS PRAKTISKAIS PIELIETOJUS NANOKOMPOZĪTU STRUKTŪRAS MODELĒŠANAI

Funkcionalizētas oglekļa nanocaurules un grafēna nanolentas, kas kalpo par fundamentu fizikālo īpašību un temperatūras nanosensoru izveidošanai, tiek uzskatīti par lietderīgiem darbarīkiem ekoloģiskam monitoringam un medicīniskiem pielietojumiem. Nanooglekļa ieslēgumu fragmenti ar dažādām morfoloģijām, kas pārstāv neorganizēto sistēmu, tiek uzskatīti par modeli nanokompozītiem materiāliem, balstītiem uz oglekļa nanoklasteru suspensijas dielektriskās polimēru vidēs (piemēram, epoksīdsveķi). Mēs noformūlējām vadītspējas aprēķinu pieeju oglekļa-bāzētiem polimēru nanokompozītiem, izmantojot efektīvu media klateru pieeju, neorganizēto sistēmu teoriju un vadītspējas mehānisma analīzi, un dabūjām kalibrācijas atkarības. Sniedzot pienācīgo elektrisko reakciju aprakstu nanosensoru sistēmās, mēs demonstrējām progresīvu simulēšanas modeļu īstenošanu, kas ir piemēroti reāla laika nanosistēmu kontrolei. Mēs arī ņēmām vērā piedāvāto fizikālo nanosensoru perspektīvas un prototipus, sniedzot salīdzinājumu ar eksperimentālas kalibrācijas atkarībām.

Divas svarīgas C-balstītas oglekļa nanocauruļu un grafēna nanotipa struktūras, pielietotas tik tālu: (i) ierīces ar vadītspējīgiem nanoelementiem efektīvam elektronu transportam, elektronu-ietekmes lauku tranzistora (FET-tipa) komutācijas sistēmas un dažādām funkcionālizētām sistēmām ar komplekso morfoloģiju; (ii) nanosensoru sistēmas dažādu ekoloģisku sistēmu un drošības aspektu monitoringam. Atsauce: Stefano Bellucci, Yuri Shunin, Victor Gopeyenko, Tamara Lobanova-Shunina, Nataly Burlutskaya, and Yuri Zhukovskii, Real time polymer nanocomposites-based physical nanosensors: theory and modeling. – Nanotechnology, 2017, 28, 355502 (p. 1-9).


FET-tipa nanoierīces, kā istēnots perspektīvos nanosensoros: (a) oglegkļa nanocauruļu vai grafēna nanolentu saturošs neperturbēts lauktranzistors, savienots ar diviem elektrodiem (notece un avots); (b) fizikālie nanosensori, kuru vadītspēja mainas līdz ar oglekļa nanocauruļu un grafēna nanolentu nanoelementa deformāciju; (c) ķīmiskais nanosensors, kura vadītspēja var būt izmainīta, kad oglekļa nanocauruļu vai grafēna nanolentu virsmu brīvo lādīņu summa mainās atkarībā no donoru vai akceptoru molekulu klātbūtnes apkārtējās gāzes vidē.

Nanokomplozīto spiediena un temperatūras sensoru prototipi tika simulēti. Pārlēkšanas vadītspējas mehānisms dod adekvātu iespējamo nanosensoru īpašību aprakstu. Svarīga problēma uz oglekļa nanocaurulēm un grafēna nanolentām balstīto sensoru ražošanā ir nanooglekļa ieslēgumu orientācija, kas nosaka topošo nanosensoru elektriskās īpašības. Rezistīvo shēmu modeļu dažādas morfoloģijas var būt realizētas kopējas pretestības novērtēšanai dažādu nanosensoru prototipos.