Ученые вуза работают над созданием перспективных наноматериалов

09:28, 2 августа 2022

Области их применения — электроника, энергетика, лазерные технологии

Под руководством Владимира Шура проводят исследования несколько научных групп. Фото: Илья Сафаров.

Синтезировать новые материалы с уникальными характеристиками для различных практических применений — таковы запланированные результаты проекта «Экспериментальное и теоретическое исследование физических свойств перспективных наноматериалов», который стартовал в Уральском федеральном университете. Именно на такие результаты сориентирована и государственная программа поддержки университетов «Приоритет-2030», в которой участвует УрФУ. Проект рассчитан до 2025 года включительно.

Проект реализуется шестью группами, состоящими из 40 научных сотрудников. Математики и физики, экспериментаторы и теоретики объединены общими целями, направленными на решение фундаментальных научных задач: изучить и описать процессы формирования и физические особенности микро- и наномасштабных структур для создания перспективных твердотельных материалов на основе сегнетоэлектриков, диэлектриков, полупроводников и сверхпроводников.

Проект возглавляет ученый с мировым именем — Владимир Шур, профессор кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем, главный научный сотрудник отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники, руководитель лаборатории сегнетоэлектриков. Одна из экспериментально-теоретических групп под его руководством исследует эволюцию доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах.

«Сегнетоэлектрики обладают доменной структурой, которую можно изменять приложением внешнего электрического поля. Созданием стабильных доменных структур с заданной геометрией занимается активно развивающаяся область науки и технологии — доменная инженерия. Целенаправленное конструирование доменных структур микро- и наномасштабов позволяет существенно улучшать разнообразные важные для применения характеристики сегнетоэлектриков», — рассказывает Владимир Шур.

Исследование кинетики доменов в электрическом поле важно еще и потому, что сегнетоэлектрики активно используются в устройствах сегнетоэлектрической памяти с рекордной плотностью записи, высокой скоростью чтения и перезаписи, а также малым энергопотреблением.

Кроме того, в группе Владимира Шура исследуют процессы создания поверхностных микро- и наноструктур в результате воздействия лазерного облучения. Задача — получить материалы, обладающие способностью к самоочищению, повышенными антикоррозионными и антиобледенительными свойствами.

«Скатываясь с такой поверхности, капли воды удаляют все загрязнения. Идея этой технологии позаимствована у природы, поэтому явление называется „эффектом лотоса“. Поверхность можно структурировать таким образом, что жидкость растечется в заданных направлениях (область исследований поведения малых объемов жидкостей при подобных манипуляциях называются микрофлюидикой). Обработанная лазером пластина фторопласта со структурированной поверхностью может служить фильтром, отделяющим нефть от воды», — поясняет Шур.

Материаловеды во главе со старшим научным сотрудником Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Денисом Аликиным исследуют другие тонкопленочные и керамические сегнетоэлектрические материалы, а также термоэлектрики и ионные проводники. В итоге будут выявлены механизмы усиления их механических, пьезоэлектрических и тепловых свойств, необходимых в создании микро- и наноразмерных устройств для преобразования электрической энергии в механическую, накопления и хранения механической, тепловой и электрической энергии и обеспечения энергонезависимого питания электронных схем и датчиков. Деятельность группы направлена также на разработку прототипов микроэлектромеханических и наноэлектронных устройств с использованием методов электронной, ионной и зондовой литографии.

Исследовательская экспериментально-теоретическая группа, которую возглавляет проректор по науке УрФУ, завкафедрой физики конденсированного состояния и наноразмерных систем Александр Германенко, изучает редкоземельные цирконаты, а также германаты и силикаты. Интерес к этим кристаллам обусловлен их применением при создании и оптимизации оптоэлектронных приборов, в качестве матриц для лазерных материалов, люминофоров, детекторов излучения, люминесцентных зондов.

Коллектив экспериментаторов под руководством завлабораторией отдела оптоэлектроники и полупроводниковой техники Владимира Важенина будет методами магнитного резонанса исследовать дефектные центры, которые модифицируют свойства материалов квантовой электроники, в частности, кристаллов силикатов иттрия и скандия. Кроме того, будет получена информация о дефектности ряда керамических материалов и нанопроволок. Исследуемые материалы перспективны для создания квантовых запоминающих устройств, быстрых сцинтилляционных материалов и лазерных применений в инфракрасной области спектра.

Объект внимания экспериментаторов во главе с заведующей лабораторией рентгеновской аттестации веществ и материалов Надеждой Селезневой — халькогениды переходных металлов со слоистыми структурами. По результатам этой научной работы будет получена целостная картина их физических свойств, установлена связь между кристаллической, электронной структурой и магнитными свойствами. Ученые стремятся понять механизмы изменения свойств таких соединений в зависимости от температуры и давления. Железосодержащие халькогениды могут использоваться для создания постоянных магнитов без редкоземельных элементов, материалов для высокоплотной записи информации, а также для получения сверхпроводящих материалов с улучшенными характеристиками.

Выявлением механизма формирования свойств высокотемпературных сверхпроводящих соединений меди и никеля — купратов и никелатов — занимается группа теоретиков под руководством профессора кафедры теоретической физики Александра Москвина.

«Несмотря на многолетние усилия ученых, природа сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников еще не установлена. Решение этой задачи делает вполне реальными перспективы получения сверхпроводящего состояния при температурах близких к комнатной», — объясняет Владимир Шур.

Проект «Экспериментальное и теоретическое исследование физических свойств перспективных наноматериалов» осуществляется в кооперации с ведущими институтами Уральского и Сибирского отделений Российской академии наук, Казанского научного центра РАН, с Московским, Самарским, Тюменским и Новосибирским государственными университетами, а также университетами Армении, Белоруссии, Китая и Бразилии.

В результате выполнения проекта будут опубликованы монографии и сотни статей в авторитетных научных журналах, индексируемых в международных базах данных, будут защищены кандидатские и докторские диссертации, поданы заявки на получение патентов.

Залог успешности проекта — большой опыт ученых УрФУ в экспериментальных и теоретических исследованиях по перечисленным тематикам. Так, работы в области сегнетоэлектричества и доменной инженерии под руководством Владимира Шура, одного из наиболее продуктивных и цитируемых ученых УрФУ, получили признание мирового научного сообщества. А комплексное изучение соединений на основе халькогенидов переходных металлов увенчалось не только большим количеством публикаций в высокорейтинговых научных журналах, но и зарегистрированными патентами.

В распоряжении ученых — лабораторная и технологическая база Уральского центра коллективного пользования «Современные нанотехнологии» с оборудованием общей стоимостью более 1 млрд руб.

«Оборудование центра позволяет исследовать электронные и фотонные явления, изучать структурные свойства материалов, проводить измерения электрофизических свойств в широком температурном диапазоне, а также микроскопические исследования с использованием сканирующих методов», — комментирует Владимир Шур, являющийся директором центра.

В настоящее время происходит дооснащение УЦКП «Современные нанотехнологии» в рамках выполнения проекта Министерства науки и высшего образования РФ (075-15-2021-677).

По словам Владимира Шура, Центр коллективного пользования выступает в роли исполнительного секретариата Сетевого центра материаловедения и нанотехнологий стран БРИКС, в котором представлены центры коллективного пользования ведущих университетов и академических институтов России, Китая, Индии, ЮАР и Бразилии. Среди основных целей Сетевого центра — организация международного сотрудничества и координация исследовательской деятельности в области материаловедения и нанотехнологий.

«Ресурсами этой международной сети сможет воспользоваться любой заинтересованный ученый из организаций-участниц. Материаловедение и нанотехнологии — исключительно актуальные направления современной мировой науки, которые на очень высоком уровне представлены в странах БРИКС», — свидетельствует Владимир Шур.