Основные научные результаты

Основные научные результаты 2014 г.

Исследование процессов перекристаллизации наноалмазов детонационного синтеза с характерным размером кристаллов около 4 нм при температурах выше 1000 °С и давлениях около 7 ГПа, позволило выявить условия получения монокристаллов алмаза субмикронных размеров, со значительной концентрацией люминесцентных азот-вакансионных дефектов, создающихся без предварительно облучения частицами высоких энергий.

Изучена удельная электропроводность гидрозолей 4 нм частиц детонационного наноалмаза (ДНА) с отрицательным электрокинетическим потенциалом. Для определения удельной электропроводности частиц исследуемых гидрозолей при различных значениях рН и концентрации фонового электролита использовались зависимости эффективной удельной электропроводности гидрозолей от объёмной доли частиц. Установлено, что аномально высокая электропроводность таких растворов, наблюдавшаяся ранее, связана с неполной очисткой гидрозолей ДНА от остаточных примесей. Предложен метод дополнительной сверхвысокой очистки исходных гидрозолей ДНА от примесей, снижающий фоновую электропроводность на порядок.

Разработана и экспериментально проверена лабораторная методика модификации поверхности нанометровых частиц алмазов детонационного синтеза ионами трехвалентных металлов, в том числе гадолинием и европием.

В результате проведенных исследований разработан способ получения стабильных гидрозолей 4 нм гидрозолей детонационных наноалмазов с положительным и отрицательным дзета-потенциалом. Указанный способ защищен двумя патентами РФ, разработана и утверждена технологическая инструкция ФТИ им.А.Ф.Иоффе на «Метод получения стабильной магнито-чистой суспензии детонационных наноалмазов»

Основные научные результаты 2009-2013 гг.

На уровне изобретения разработан лабораторный метод контроля очистки детонационных наноалмазов промышленного синтеза.

Решена важнейшая проблема технологии и применения детонационных наноалмазов – получены стабильные водные суспензии изолированных монокристаллических алмазных частиц размером 4 нм без использования прямого механического воздействия, и предложена модель, объясняющая их стабильность. Впервые получены водные суспензии детонационных наноалмазов с положительным и отрицательным знаком электрокинетического потенциала. Разработан способ трансформации водных суспензий детонационных наноалмазов в гели при большой конщентрации алмазных частиц.

Критически проанализирована применимость метода динамического светового рассеяния для определения размеров наночастиц в гидрозолях, показаны методические ограничения и источники ошибок при практическом использовании самых современных приборов мирового рынка, реализующих метод.

Проведены экспериментальные исследования спектров оптической плотности гидрозолей детонационных наноалмазов. На основе теоретического расчета предложена интерпретация результатов с учетом рассеяния Ми и поглощения в углеродных цепочках на поверхности наноалмазных частиц.

Разработана лабораторная методика синтеза оксида графена из природного кристаллического графита на основе метода Хаммерса (Hammers). Определены технологические параметры, позволяющие формировать пленки графена на поверхности кремния с размерами однородных областей 50 х 50 мкм, что превосходит лучшие опубликованные мировые результаты. Исследована трансформация химического состава и электронной структуры пленок оксида графита на разной стадии термообработки в водороде. Показано, что, изменяя степень восстановления оксида графита до графена, возможно изменять ширину запрещенной зоны в «графеновых» слоях в пределах 3.2 – 0 эВ (от диэлектрика до проводника). Исследования проводятся совместно с лабораториями «Диагностики материалов и структур твердотельной электроники» и «Атомных столкновений в твердых телах» ФТИ им.А.Ф.Иоффе.

Методом ЭПР показано наличие в составе оксида графена ионов Mn+2, связанного с условиями синтеза и играющего роль легирующей примеси в получаемых полупроводниковых материалах. Исследования выполнены в сотрудничестве с Университетом Бен-Гуриона, Израиль.

Изучены свойства детонационного наноалмаза как носителя металла-катализатора. Исследовано влияние соотношения в углеродном носителе компонентов с различной гибридизацией связи С-С на активность и селективность металл-углеродных наноструктурированных катализаторов в дегидрировании. Получены результаты, свидетельствующие о высокой каталитической активности в реакциях гидрирования палладия, нанесённого на наноалмаз. Исследования выполнены совместно с Институтом проблем физической химии (Черноголовка), Институтом органической химии (Москва) и Институтом элементоорганических соединений (Москва).

Методом инфракрасной спектроскопии проведено исследование функциональных групп на поверхности детонационных наноалмазов, модифицированных бивалентными комплексами ионов меди. Исследования проведены совместно с Токийским технологическим институтом (Япония) и Университетом Бен-Гуриона (Израиль).

Продемонстрирована возможность термической модификации поверхности детонационных наноалмазов молекулярным хлором. Исследования выполнены в сотрудничестве с Университетом Бен-Гуриона и лабораторией «Новых неорганических материалов» ФТИ им.А.Ф.Иоффе)

Проведены исследования спектров рамановского рассеяния и поверхностного плазмонного резонанса в образцах нанографита луковичной формы Исследования проведены совместно с Токийским технологическим институтом (Япония) и СПб университетом информационных технологий, механики и оптики.

Теоретически исследовано влияние электрон-фононного взаимодействия на полевую эмиссию углеродных наноструктур. Построена модель полевой эмиссии из углеродных нанотрубок, декорированных наноалмазами.

Проведено исследование ряда композитов на основе нано- и микрокристаллических алмазов, направленное на выяснение механизмов теплопроводности и получение материалов с высокой теплопроводностью для теплоотводов: алмаз-парафин с размерами алмазных частиц 400 и 180 мкм, медь/детонационный наноалмаз с массовым содержание алмазной фракции в порошках от 0.5 до 5.0 %.

Методом капиллярной инфильтрации меди в слой частиц алмаза размером 400 мкм с предварительно нанесенным вольфрамовым покрытием получен композитный материал с высокой теплопроводностью (до 910 Вт/(м*K), по совокупности характеристик обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими материалами, предназначенными для теплоотводов. Исследования выполнены совместно с СПб Государственным технологическим институтом.

Проведен анализ существующих моделей теплопроводности композитов наноалмаз - металл и установлено, что основным фактором, ограничивающим теплопроводность, является качество границ между частицами (зернами) композита. Предложена новая модель передачи энергии через границу металл-диэлектрик, конкретизованная применительно к композиту медь-алмаз. Методом Кубо выведена формула для теплосопротивления границы металла и диэлектрика.

Проведен синтез сверхтвердых кристаллических материалов в системе B-C-N при высоком давлении и высокой температуре. Спектры дифракции рентгеновских лучей показали, что получены соединения: a-C3N4 и кубическая фаза BC2N.

Впервые исследованы особенности состава и структуры алмазов динамического синтеза, получаемых в ударной волне при импульсной лазерной абляции графита. Исследования выполнены в сотрудничестве с компанией Ray Techniques Ltd.,, Израиль.