Науково-Навчальний Центр Інноваційних Технологій
та НаноІнженеріїї (ННЦ ІТНІ)
ДБ/Наноматриця
Назва
Синтез та дослідження кристалічних наноструктурованих матеріалів як інноваційного технологічного продукту
Мета та вихідні дані для проведення робіт
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.
Очікувані результати:
Передбачається отримати такі результати:
- Враховуючи анізотропію вибраних кристалічних матеріалів, будуть проведені відповідні дослідження та знайдено глобальний максимум, тобто геометрію їхнього найефективнішого застосування як можливих робочих елементів електро- чи нелінійно-оптичних пристроїв керування електромагнітним випромінюванням та як заповнювачів для виготовлення нанопористих композитів. Для цього буде вдосконалено технологію синтезу нанокристалітів із вибраною геометрією кристалізації в порах нанопористих матриць.
- На основі отриманого досвіду синтезу наноструктурованих матеріалів планується апробувати нові технологічні умови синтезу та нові кристалічні матеріали-наповнювачі, які можуть дати значну перевагу над відомими нам матеріалами в ефективності нелінійно-оптичного перетворення базової частоти випромінювання, в зменшенні коефіцієнта відбивання електромагнітного випромінювання в широкому частотному діапазоні (антирадарне покриття).
- На основі структурних, рентгенівських, спектроскопічних даних (Раманівське розсіяння), їх детального теоретико-групового аналізу планується встановити фізичні закономірності синтезу нанокристалів KDP, ADP та ін. в порах різного діаметру та геометрії. Передбачається вивчення впливу ефекту конфайнменту нанопористої матриці на кристалічну структуру та фізичні властивості новосинтезованих сполук.
- Передбачається вивчити вплив переходу від об’ємних 3D до нанорозмірних 1D кристалів на ефективність виходу другої оптичної гармоніки нелінійно-оптичних кристалів, а також на можливу зміну величини електро-оптичного ефекту.
- Для оптимізації параметрів структури з наднизьким коефіцієнтом відбивання як антирадарного матеріалу планується провести детальні дослідження залежності коефіцієнту відбивання електромагнітної хвилі в спектральній ділянці 1-15 мкм від типу матеріалів наповнення та пористої матриці, від геометрії, форми та діаметрів пор матриці, від технологічних умов синтезу композитного матеріалу, післяростового оброблення поверхні нанокомпозиту.
Вимоги до результатів:
Основна суть результатів проекту полягає у вдосконаленні синтезу нового класу кристалічних нанокомпозитів та отримання достовірних даних про електро- та нелінійно оптичні властивості таких матеріалів, зокрема:
- отримані результати дадуть можливість оцінити перспективу інноваційного застосування створених кристалічних нанокомпозитів в різноманітних пристроях мікро- та нано-електроніки;
- буде оцінено вплив ефектів наноконфайменту на фізичні властивості нанокристалітів, впроваджених в нанопори різних розмірів різних матриць;
- буде також розглядатися вплив квантових ефектів на взаємодію електромагнітного випромінювання зі збурюючими полями, що може значно покращувати оптичні відгуки таких нанокомпозитних структур на зовнішні фактори.
Результати виконаних у проекті досліджень мають бути новими та пріори-тетними, а характеристики синтезованих кристалічних наноструктурованих матеріалів як інноваційного технологічного продукту повинні переважати відповідні характеристики світових аналогів.
Етапи виконання робіт:
- Вибір необхідних матеріалів та модернізація технології синтезу наноструктурованих матеріалів. Рентгеноструктурні та спектроскопічні дослідження синтезованих матеріалів.
- Електро- та нелінійноопти-чні дослідження наноструктурованих матеріалів. Тестування впливу морфо-логії матриць, матеріалів наповнення та умов синтезу на структуру, неліні-йно- та параметрично-оптичні власти-вості наноструктурованих матеріалів
Вибір необхідних матеріалів та модернізація технології синтезу макроскопічних об’ємних кристалів, запланованих для впровадження у товщу пористої матриці. Вивчення особливостей спектроскопічних досліджень нанорозмірних композитних матеріалів.
Вдосконалення технології синтезу наноструктурованих водорозчинних кристалів KH2PO4 та ін. у товщі матриць Al2O3. Проведення детальних рентгеноструктурних та електронно-мікроскопічних досліджень створених нанокомпо-зитів. Експериментальне дослідження їх мікро-раманівських спектрів.
Освоєння технології синтезу наноструктурованих водорозчинних кристалів KH2PO4 та ін. у товщі матриць SiO2. Проведення детальних рентгеноструктурних та електронно-мікроскопічних досліджень створених нанокомпозитів. Експериментальне дослідження мікро-раманівських спектрів нанокомпозиту KH2PO4+ SiO2 та нанокомпозитів на основі інших водорозчинних кристалів. Симетрійна інтерпретація отриманих результатів.
Освоєння технології синтезу наноструктурованих водорозчинних кристалів NH4H2PO4 та ін. у товщі матриць Al2O3 і SiO2. Проведення детальних рентгеноструктурних та електронно-мікроскопічних дослі-джень створених нанокомпозитів. Експериментальне дослідження спектрів пропускання/ відбивання та мікро-раманівських спектрів нанокомпозитів NH4H2PO4+SiO2, NH4H2PO4+Al2O3 та ін. Симетрійна інтерпретація отриманих результатів.
Освоєння технології синтезу наноструктурованих водорозчинних нанокристалів KH2PO4 у товщі матриць TiO2. Проведення детальних рентгеноструктурних та електронно-мікроскопічних досліджень компози-тів KH2PO4+TiO2 та нанокомпозиту на основі інших водорозчинних кристалів.. Проведення параметри-чно-оптичних досліджень нано-композитних матеріалів на основі матриць ААО, АТО та SiO2 з різними матеріалами заповнення.
Освоєння технології синтезу нано-структурованих водорозчинних кристалів NH4H2PO4 та ін. у товщі матриць ТiO2. Проведення детальних рентгеноструктурних та електронно-мікроскопічних досліджень створених нанокомпозитів. Проведення нелінійно-оптичних досліджень нанокомпозитних матеріалів на основі матриць ААО, АТО та SiO2 з різними матеріалами заповнення.
Вдосконалення технології синтезу нанорозмірних водорозчинних кристалів, впроваджених до наноструктурованих матриць. Тестування впливу морфології матриць та розмірів пор на нелінійно-оптичні та параметрично-оптичні властивості нанорозмірних композитних матеріалів та їх детальний теоретико-груповий аналіз.
Вивчення залежності спектрів відбивання/пропускання від матеріалів заповнення пористих матриць та їх структурної морфології. Виготовлення та випробовування макету структури з наднизьким коефіцієнтом відбивання як антирадарного матеріалу.
Реалізація результатів та ефективність:
Розробка запропонованих технологічних рішень забезпечить інтерес до результатів виконання проекту з боку потенційних споживачів науково-технічної продукції – вітчизняних та світових виробників оптоелектронної техніки, сенсорики, а також тих галузей народного господарства, де використовуються кристалічні і нанокомпозитні матеріали та відповідні наноструктури як чутливі елементи оптичних сенсорних пристроїв чи як складові різноманітних оптоелектронних та лазерних приладів. Організація-виконавець на підставі господарчих договорів може передати Замовнику результати, найбільш придатні для комерційного застосування, а саме, (1) результати та ноу-хау для створення ефективних наноструктурованих матеріалів з метою виготовлення електрооптичних чи нелінійно-оптичних комірок на основі вивчених їх фізичних властивостей та експлуатаційних характеристик. Крім того, можлива також передача: (2) вдосконаленої технології росту комплексу впорядкованих нанотрубок/наностержнів на основі Al2O3+КDP чи (3) створена технологія виготовлення кристалічних наноструктурованих матеріалів Al2O3+ADP як антирадарного покриття. Відповідно до результатів експериментальних вимірювань та аналітичних розрахунків, дана розробка відповідає, а за деякими критеріями перевищує світовий рівень. Ряд методик захищені патентами, а розроблені нові методологічні та технологічні рішення можуть бути захищені патентами України чи інших країн. Результати виконання цього проекту, зокрема, у частині створення ефективних електро- чи нелінійно-оптичних пристроїв будуть актуальними для таких суміжних галузей науки як матеріалознавство, фізика приладів, елементів і систем та мікро- і наноелектроніка. Крім того, результати виконання даного проєкту будуть впроваджені у навчальний процес Національного університету «Львівська політехніка» для підготовки нових та вдосконалення існуючих лекційних курсів і практичних та лабораторних робіт, виконання бакалаврських та магістерських кваліфікаційних робіт, видання монографій чи підручників, а також при підготовці кадрів вищої кваліфікації, зокрема при захисті кандидатських чи докторських дисертацій виконавцями проекту.
Порядок приймання НДР та її етапів
Результати НДР за кожним етапом (оформлені у вигляді інформаційного, проміжного чи остаточного звітів) розглядаються на засіданнях кафедр та Вченої ради інституту. Результати розгляду оформлюються у вигляді витягів з протоколу. Результати виконання НДР (а – за рік, б – за весь термін виконання) розглядаються експертною комісією, створеною за наказом ректора. Звіт про виконання НДР затверджується науково-технічною радою Національного університету «Львівська політехніка».