Назва

Синтез та дослідження кристалічних наноструктурованих матеріалів як інноваційного технологічного продукту

Зміст проєкту

Проблема, на вирішення якої було спрямовано дослідження:

Оптичні та коливні властивості матеріалів для створення антен, модуляторів та перетворювачів оптичного діапазону, зокрема, із використанням нанотехнологій.

Об’єкт і предмет дослідження:

Кристалічні наноструктуровані матеріали, складені з діелектричних нанопористих матриць, заповнених нанокристалітами з певними функціональними властивостями.
Обрані нанопористі матриці, що відповідають вимогам для заповнення їх структур нанокристалітами із водних розчинів. В порах матриць вирощено такі нанокристаліти KDP, АDP, Ba(NO₃)₂, відпрацьовано оптимальні умови технології отримання нанокристалічних зразків. Рентгеноструктурні та СЕМ дослідження показали, що в матрицях Al₂O₃, Si та SiО₂ було синтезовано кристали АDP, KDP, Ba(NO₃)₂ та LiNbO₃ . Нові технологічні умови синтезу та нові кристалічні матеріали-наповнювачі (KDP, ADP) забезпечують значну перевагу над відомими матеріалами в ефективності нелінійно-оптичного перетворення та в зменшенні коефіцієнта відбивання в широкому частотному діапазоні.

Мета і основні завдання дослідження:

Мета проєкту має подвійне спрямування.

• По-перше, проєкт націлений на вивчення фізичних особливостей прояву діелектричних, оптичних, нелінійно-оптичних властивостей кристалічних сполук при переході від об’ємних матеріалів до дво- і одновимірних структур, а також при поєднанні таких низькорозмірних структур одного хімічного складу з матеріалом іншого хімічного складу у вигляді композиту з нано- чи мікро- вимірною розмірністю.
• По-друге, на основі проведених досліджень планується вирішити прикладні задачі з виготовлення макетів можливих пристроїв ефективного керування електромагнітним випромінюванням на основі наноструктурованих матеріалів через використання електрооптичного ефекту чи нелінійно-оптичного перетворення частоти випромінювання в оптичному діапазоні, зокрема для телекомунікаційних застосувань. Планується також перевірити попередні експериментальні дані, згідно з якими нанорозмірні композитні матеріали на основі матриці із Al₂O₃ (anodic aluminium oxide - ААО) та кристалу (NH₄H₂PO₄) (ADP) виявляють дуже малі коефіцієнти пропускання і відбивання, що може бути безпосередньо використане при створенні структури з наднизьким коефіцієнтом відбивання як антирадарного матеріалу в інфрачервоному діапазоні спектру.

Основні завдання проєкту:

• Оптимізація процесів синтезу наноструктурованих матеріалів на основі матриць ААО, АТО (anodic titanium oxide), SiO₂ та матеріалів наповнення: кристалів KH₂PO₄ (KDP), ADP та ін.;
• Електронно-мікроскопічне дослідження поверхонь синтезованих наноструктурованих матеріалів та перевірка вмісту їх пор на однорідність проникнення інкорпорованого матеріалу в товщу матриці;
• Проведення рентгеноструктурних та спектроскопічних (мікро-Раманівське розсіяння) досліджень наноструктурованих матеріалів із детальним теоретико-груповим аналізом раманівських спектрів;
• Дослідження спектрів відбивання/пропускання в широкому діапазоні 0,4-15 мкм;
• Нелінійно-оптичні та параметрично-оптичні дослідження синтезованих наноструктурованих матеріалів;
• Дослідження просторової та поверхневої морфології наноструктурованих матеріалів у вигляді нанотрубок/наностержнів з метою їхнього можливого практичного використання як інноваційного технологічного продукту, зокрема, в телекомунікаційних пристроях;
• Дослідження структури з наднизьким коефіцієнтом відбивання/пропускання на основі нанопористої матриці і кристалічного матеріалу наповнення та розробка інженерної моделі і створення макету структури з наднизьким коефіцієнтом відбивання.

Головні результати

1. Проведено ретельний відбір, характеризацію та визначено найкращу геометрію нанопористих матриць, що відповідають вимогам для заповнення їх структур нанокристалітами із водних розчинів. Вирощено нанокристаліти із насичених водних розчинів за різних температур і відпрацьовано найоптимальніші умови технології отримання нанокристалічних зразків із насичених водних розчинів. Проведені рентгеноструктурні та СЕМ дослідження підтвердили ріст кристалів у матрицях.
2. На основі аналізу раманівського розсіяння композитних матеріалів було підтверджено висновки про формування у порах матриць відповідних нанокристалів. Проведено теоретико-групові та ab initio розрахунки фононних спектрів кристалів заповнення, описано динамічні, та механічні умови стійкості кристалічної ґратки кристалів. На основі результатів моделювання інтерпретовано експериментальні дані раманівських досліджень.
3. Методом екстремальних поверхонь встановлено глобальні максимуми електрооптичного ефекту для кристалічних матеріалів, які можуть бути використані для наповнення наноматриць, та оптимальні геометрії векторного фазового синхронізму для одновісних нелінійно-оптичних кристалів для випадків генерації другої гармоніки, сумарної та різницевої частоти. Визначено напрямки хвильових векторів вхідних променів та променю на довжини хвилі другої гармоніки, які забезпечують максимальну ефективність процесів. Досліджено прояви генерації другої гармоніки у композитних матеріалах та встановлено умови та матеріали з найвищою ефективністю генерації.
4. Виміряно і проаналізовано спектри відбивання/пропускання отриманих нанокомпозитів за різних станів поверхні матриць, на базі проведених досліджень розроблена технологія одержання структур з наднизьким коефіцієнтом відбивання електромагнітного випромінювання у діапазоні довжин хвиль 1,0÷10,0 мкм.

Оригінальність та інноваційні аспекти

Проведений комплекс досліджень дав змогу розробити технологію отримання нанокомпозитів, придатних до утворення антивідбиваючих покриттів в широкому спектральному діапазоні.

За матеріалами проєкту були зроблені усні та стендові доповіді на міжнародних конференціях

1. Andrushchak N., Vynnyk D., Adamiv V., Haiduchok V., Strelchuk V., Nikolenko A., Andrushchak A. Optical and Electron Microscopy Studies of Al₂O₃ Nanomatrices with Embedded ADP and KB5 Nanocrystals // In 2022 IEEE 12th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). - 2022. Kraków, Poland. - NCI02-1. 10.1109/NAP55339.2022.9934289
2. Andrushchak N., Vynnyk D., Kopko B., Haiduchok V., Adamiv V., Andrushchak A. The Impact of Mechanical Treatment of the Al₂O₃ Nanomatrices Surface on their Optical Parameters with and without KDP Crystals Inclusion // Book of abstracts 2nd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering. - 2022. Dovgoluka, Ukraine. - Р. 2-2.
3. Shchur Ya., Bendak A., Kityk A., Andrushchak A. Peculiarities of Raman Mapping of Nanocomposite Materials. // Book of abstracts 2nd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2022), November 11-13, 2022, Dovgoluka, Ukraine, Р. 2-3.
4. Shchur Ya., Strelchuk V., Nikolenko A., Kityk A., Beltramo G., Vitusevich S., Andrushchak N., Adamiv V., Teslyuk I., Andrushchak A. Lattice Dynamics of Nanosized KH₂PO₄ and Ba(NO₃)₂ Crystals Confined in Porous SiO₂ Matrix: Raman Spectroscopy and ab initio Lattice Dynamics Analysis. // Book of abstracts 2nd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2022), November 11-13, 2022, Dovgoluka, Ukraine, Р. 3-1.
5. Shchur Ya., Kityk A., Bendak A., Andrushchak N., Beltramo G., Vitusevich S., Andrushchak A., Jędryka J., Slyvka Y. Raman Scattering and X-ray Diffraction Study of Benzil (C₆H₅CO)₂ Nanocrystals Embedded to Porous Silica Matrix. // Book of abstracts 2nd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2022), November 11-13, 2022, Dovgoluka, Ukraine, Р. 3-3.
6. Kityk A. V., Karout H. E., Sahraoui B., Shchur Y., Andrushchak A., Wielgosz R., Kityk O., Jędryka J., Slyvka Y., Lelonek M., Göring P., Huber P. Silica-benzil and alumina-benzil crystalline nanocomposites: textural morphology and nonlinear optical characterization // Book of abstracts 3rd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2023), November 10-13, 2023, Dovgoluka, Ukraine, Р. 61.
7. Yaremko O., Adamiv V., Teslyuk I., Shchur Y., Andrushchak A., Zhukovska D., Lelonek M. Preparation of Potassium Pentaborate and Lithium Niobate Crystalline Nanocomposites Based on Al₂O₃ and SiO₂ Nanoporous Matrices. Proceedings // 16th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering. - 2022. Lviv.-Slavske, Ukraine. - P. 689-693. 10.1109/TCSET55632.2022.9766979
8. Shchur Ya., Adamiv V., Teslyuk I, Andrushchak A. Preparation of Bi₁₂GeO₂₀ nanocrystalline structures // International Conference on Innovative Materials and Nanoengineering (IMNE’2023). Conference Program and Book of Abstracts. - 2023. Dovgoluka, Ukraine. - P. 55.
9. Aamoum A., Taboukhat S., El Kouari Y., Zawadzka A., Andrushchak A., Sahraoui B. Optical Properties of Some Selected Organometallic Compounds // 2023 23rd International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), Bucharest, Romania, 2023, pp.1-4. 10.1109/ICTON59386.2023.10207187
10. Sahraoui B., Karout H. E., Kityk A. V., Shchur Y., Andrushchak A., Wielgosz R., Kityk O., Lelonek M., Göring P. Functionalised selected conjugated compounds for nonlinear optical applications // Book of abstracts 3rd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2023), November 10-13, 2023, Dovgoluka, Ukraine, Р. 60.
11. Buryy O., Shulha D., Andrushchak A. Determination of Optimal Conditions of Second Harmonic, Sum and Difference Frequency Generation in Crystalline Materials by Extreme Surfaces Method // Book of abstracts 2nd International Conference on Innovative Materials and NanoEngineering (IMNE’2022), November 11-13, 2022, Dovgoluka, Ukraine, Р. 2-5.

Публікації

В рамках виконаного проєкту надруковано науково-технічні статті:

1. Yaremko O.M., Adamiv V.T., Teslyuk I.M., Zhukovska D., Wielgosz R., Strykhaluik B.M., Shchur Ya. Synthesis and Study of KH₂PO₄ Nanotubes (Nanorods) Embedded in Al₂O₃ Porous Matrix // Acta Phys. Pol. A - 2022. - V. 141(4). - P. 390-395. 10.12693/APhysPolA.141.390
2. Shchur Y., Beltramo G., Andrushchak A.S., Vitusevich S., Huber P., Adamiv V., Kityk A.V. On the issue of textured crystallization of Ba(NO 3 ) 2 in mesoporous SiO 2 : Raman spectroscopy and lattice dynamics analysis // Spectro-chimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy - 2022. - V. 275. - P. 121157. https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.121-157
3. Karout H.E., Shchur Y., Andrushchak A., Sahraoui B., Wielgosz R., Kityk O., Jedryka J., Slyvka Y., Kityk A.V. Second harmonic generation on crystalline nanoclusters in functionalized silica-benzil composites: Effect of extreme nanoconfinement on conversion efficiency // Sci. Rep. - 2023. - V.13.- P.9943. https://doi.org/10.1038/s41598-023-37147-4
4. Shchur Ya., Bendak A., Beltramo G., Andrushchak A. S., Vitusevich S., Pustovyj D., Sahraoui B., Slyvka Yu., Kityk A. V. Nanoarhitectonics of Inorganic-Organic Silica-Benzil Composites: Synthesis, Nanocrystal Morphology and Micro-Raman Analysis // Nanomaterials. - 2023, V.13. - P.1913-1-15. https://doi.org/10.3390/nano13131913
5. Buryy O., Andrushchak N., Danylov A., Sahraoui B., Andrushchak A. Optimal Vector Phase Matching for Second Harmonic Generation in Orthorhombic Non-Linear Optical Crystals // Acta Physica Polonica A. - 2022. - V.141. - P. 365-370. 10.12693/APhysPolA.141.365
6. Buryy O.A., Demyanyshyn N.M. Mytsyk B.G., Andrushchak A.S., Sugak D.Yu. Acousto-optic interaction in LGS and CTGS crystals // OSA Continuum. - 2022. - V.1. - P. 1314-1323. https://doi.org/10.1364/OPTCON.450576

© Центр Лазерних Технологій та Наноінженерії

Адреса: Україна, Львів, вул. Кн. Романа, 5/235

Тел/Факс: +38(032)258-30-82, email: anatolii.s.andrushchak@lpnu.ua