Уперше досліджено та розкрито стереохімічні особливості структури фулеренових ковпачків для карбонових нанотрубок. Наведено правила конструювання фулеренів і нанотрубок з наперед заданою конфігурацією. Запропоновано єдиний універсальний спосіб кодування (номенклатуру) 6-нанотрубок (НТ) та 6-нанокілець (НК), що передбачає вибір у карбоновому ланцюзі елементарної комірки - базової ланки. Показано, що набір базових ланок дає змогу побудувати інваріантну одиницю як складову нанотрубки та нанокільця. Такий підхід дає змогу безпомилково конструювати ізомерні структури, а саме їх енантіомерні форми. Зазначено, що практичним втілення цієї номенклатури є програма NanoGen, що забезпечує автоматичне конструювання молекулярних моделей 6-НТ та 6-НК. Визначено механізм утворення фулеренів та 6-НТ з графенових жолобів, які виникають на краях графенових шарів.

  Скачати повний текст

Дисертацію присвячено проблемі захисту навколишнього середовища від електромагнітного випромінювання. Актуальність роботи обумовлена необхідністю раціоналізації технології одержання ефективних тонких полімерних композитних покриттів для захисту людини та обладнання від електромагнітного випромінювання радіочастотного діапазону. Дисертаційна робота направлена на підвищення ефективності екрануючих полімерних композицій та зниження їх собівартості. Метою роботи є удосконалення складу та раціоналізація технології одержання полімерних композитних покриттів на основі графіту та інших функціональних компонентів різної морфології (графену, вуглецевих нанотрубок, графітизованої сажі, нано- і мікро-магнетиту та ін.) для ефективного захисту людини і електронного обладнання від дії ЕМВ в широкому частотному діапазоні (від 30 МГц до 30 ГГц). Наукова новизна роботи полягає у теоретичному і експериментальному обґрунтуванні вибору гібридних наповнювачів як комбінації мікро- і наноструктурованих матеріалів, а також відповідних полімерних матриць, з метою розробки технології одержання композиційних покриттів на водній та безводній основі для захисту від електромагнітного випромінювання. При цьому встановлено: наявність кореляції між ефективністю екранування багатокомпонентного композитного покриття і його поверхневою електропровідністю, яка є необхідною, але не достатньою умовою високої ефективності екранування; додатковими факторами є висока магнітна проникність покриття, а також суттєвий внесок синергетичної взаємодії вуглецевих домішок різної структури і морфології; доцільність використання лускатих графітів поліморфного складу з середнім розміром частинок 130 мкм в якості електропровідного наповнювача на відміну від дрібнодисперсних колоїдних графітів в існуючих аналогах, що дозволило підвищити ефективність екранування на 63 %;показана ефективність використання магнетиту, отриманого природним окисненням сталі Ст. 3, в якості наповнювача для підвищення рівня поглинання і екранування;доведена ефективність використання ультразвуку як для диспергування окремих компонентів захисних покриттів (зокрема, сажі, графіту, магнетиту), так і для гомогенізації суміші полімера з наповнювачами в цілому. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблено склади полімерних композитних покриттів на основі графіту, сажі, графену, вуглецевих нанотрубок, нано- і мікромагнетиту та ін. та визначено сферу їх застосування в якості екрануючих матеріалів; раціоналізовано технологічні схеми і норми технологічного режиму одержання полімерних захисних композитних покриттів на водній і неводній основах; розроблено полімерне композитне покриття на спиртовій основі повністю забезпечує електромагнітну сумісность тепловізійних приладів з іншим електронним обладнанням, зокрема з радіостанцією, а також дозволяє частково знизити «помітність» обладнання в радіочастотному діапазоні і вже знайшло практичне застосування для виробництва більш ніж 3600 комплектів тепловізійних моно- та бінокулярів, оптичних прицілів різних типів бренду ARCHER виробництва ТОВ «Термал Віжн Текнолоджис» (м. Київ) для потреб Збройних сил України, Національної гвардії України, Прикордонної служби та інших силових структур; розроблено широкосмуговий екрануючий композиційний матеріал у вигляді фарби на основі водної емульсії полімерів з використанням композитного вуглецевого наноматеріалу «графен-нанотрубки», що може забезпечити високу ефективність екранування на рівні -35…-40 ДБ в діапазоні частот від 30 МГц до принаймні 30 ГГц.^UThe thesis is devoted to the problem of environmental protection against electromagnetic radiation. The timeliness of the work is determined by the need to optimize the technology of obtaining effective thin polymer composite coatings to protect people and equipment from electromagnetic radiation within the radio frequency range. The thesis is aimed at increasing the efficiency of shielding polymer compositions and reducing their cost. The thesis aims to improve the composition and optimize the technology of obtaining polymer composite coatings based on graphite and other functional components of different morphology (graphene, carbon nanotubes, graphitized carbon black, nano- and micromagnetite, etc.) for the effective protection of human and electronic equipment from EMR within the VHF frequency range (from 30 MHz to 30 GHz). The scientific novelty of the thesis lies in the theoretical and experimental grounding of choosing the hybrid fillers as a combination of micro- and nanostructured materials, as well as appropriate polymer matrices to develop technology for water-based and anhydrous composite coatings for protection against electromagnetic radiation.The following have been established: the correlation between the shielding efficiency of the multi-component composite coating and its surface conductivity, which is a necessary but not sufficient condition for high shielding efficiency; additional factors are the high magnetic permeability of the coating, as well as a significant contribution to the synergistic interaction of carbon impurities of different structure and morphology; the feasibility of using scaly graphite of polymorphic composition with an average particle size of 130 μm as an electrically conductive filler in contrast to fine colloidal graphite in existing analogues, which increased the shielding efficiency by 63%; the efficiency of using magnetite obtained by natural oxidation of steel St3, as a filler to increase the level of absorption and shielding; the efficiency of using ultrasound both for dispersion of individual components of protective coatings (in particular, carbon black, graphite, magnetite) and for homogenization of a mixture of polymer with fillers as a whole.The practical significance refers to: the compositions of polymer composite coatings based on graphite, carbon black, graphene, carbon nanotubes, nano- and micro-magnetite, etc. have been developed, and the scope of their application as shielding materials has been determined; the technological schemes and norms of a technological regime of obtaining polymeric protective composite water-based coatings and anhydrous polymer-based coatings have been streamlined; the developed polymer composite coating based on alcohol fully ensures electromagnetic compatibility of thermal imagers with other electronic equipment, in particular with the radio station, and also allows to partially reduce the "visibility" of equipment in the radio frequency range and has already found a practical application for producing more than 3600 sets of thermal imaging binoculars, optical sights of different types by ARCHER brand manufactured by Thermal Vision Technologies LLC (Kyiv) for the needs of the Armed Forces of Ukraine, the National Guard of Ukraine, the Border Guard Service and other law enforcement agencies; a broadband shielding composite material in the form of paint based on an aqueous emulsion of polymers has been developed with the use of the composite carbon nanomaterial "graphene nanotube", which can provide high shielding efficiency at -35… -40 dB in the frequency range from 30 MHz to at least 30 GHz.

Дисертаційна робота присвячена встановленню закономірностей структурно-фазових перетворень на межах розділу систем "графен - метал (Fe, Pt, Ti)" та "шар металу (Fe, Pt, Mn) до 25 нм - Si (100)".Встановлено закономірності процесів структурної релаксації та реконструкції на межах розділу систем "графен - монокристал металу (Fe, Pt, Ti) з різною кристалографічною орієнтацією поверхні" та вплив температурного фактору із застосуванням методу молекулярної динаміки; запропоновані критерії для забезпечення структурної стабільності меж розділу "графен-метал".Поєднання комп'ютерного моделювання з сучасними експериментальними методами досліджень дозволило визначити закономірності структурно-фазових перетворень на межах розділу нанорозмірних композицій "метал-кремній". Встановлено, що особливістю структурно-фазових перетворень в досліджених шарах силіцидів (Mn4Si7) та інтерметалідів (L10-FePt) є формування ансамблю структурних елементів плоскої та циліндричної форми, параметри і еволюція яких прогнозуються одержаними розв'язками дифузійних задач у новій постановці – зародження та росту частинок нової фази (як ансамблю) циліндричної та плоскої форми, що виростають в області з вичерпним джерелом дифузанту.Отримані в роботі результати представляють практичний інтерес для формування наукових основ новітніх технологій виробництва пристроїв мікро- та наноприладобудування з дослідженими в роботі шарами графену, металів, кремнію.^UThe thesis is devoted to investigation of regularities of structural phase transitions at the interfaces of "graphene-metal (Fe, Pt, Ti)" and "metal layer (Fe, Pt, Mn) below 25 nm-Si(100)" systems for formation of scientific bases of next generation microdevices fabrication. The feature of this work is the fact that, in contrast to other studies, combined approach for investigation of structural phase transitions at the interfaces of different types was applied: computer simulation methods of different scale levels were combined with modern experimental investigation methods. Molecular dynamics approach was used for investigation of "graphene-metal" interfaces. Main part of calculations was realized at Huizhou University (PRC), using TianHe-II supercomputer. The models of pure metal, free graphene, "graphene-metal system" of two different orientations for each metal, two temperatures – 300 K and 400K, three most densely packed metal planes were created in order to determine the impact induced by graphene coating. As a result, more than 70 model systems were analyzed, allowing to determine regularities of structural relaxation and reconstruction processes at the interfaces of systems "graphene-single crystal of metal Fe, Pt, Ti of various surface orientations" as well as impact of temperature factor. - there are just structural modifications (expansion up to 3%) without reconstruction of graphene at metal surfaces at temperatures below 400 K;- relaxation and reconstruction rates of surface layer decrease with increase of its crystallographic packing density, and increase with a rise of the temperature.Based on these regularities, the following criteria were proposed for a first time in order to provide structural stability of the "graphene-metal" interfaces:- in case of small mismatch between crystal lattice parameters of metal and graphene it is desirable to choose planes with a maximum surface packing density;- in case of large mismatch between crystal lattice parameters of metal and graphene it is desirable to choose planes with a lowest surface packing density;Interfaces of the second type "metal-silicon" were investigated by means of continuous approach, using modern nonlinear mathematical analysis methods, theory of differential equations with partial derivatives, integral equations as well modern experimental methods. The tasks of nucleation and growth of new phase particles (ensemble like) of flat and cylindrical shapes, growing from the area with a limited diffusant source, were considered as well. The solutions of these diffusion tasks in new forms were obtained, allowing to determine the following parameters: growth rate of new particles during heat treatment; maximum size of growing particles and time needed to achieve this size; concentration and time distributions in the area close to these particles; diffusion characteristics. For experimental study of technically promising “metal-silicon” systems in the temperature range of 723 K – 1273 K the following methods were used: secondary ions mass-spectrometry, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, four-point resistivity measurements, etc. It was determined that feature of structural and phase modifications in the investigated layers of silicides (Mn4Si7) and intermetallics (L10-FePt) is a formation of structural elements ensemble of flat shape. Obtained solutions of diffusion tasks in a new form were used to forecast of parameters and evolution of found structural elements. Computer simulation of growth kinetics of Mn4Si7 silicide phase during co-deposition of Mn and Si, in case of oversaturated Mn-Si solid solution formation during initial diffusion stages, reveled satisfied agreement between calculation parameters and transmission electron microscopy experimental results.Using Fe-Pt/Si(100) system as an example, it was proved that molecular dynamics is an effective approach to determine temperature dependence of vacancy formation energy, diffusion activation energy, migration energies of Fe and Pt atoms in the L10-FePt intermetallic. Obtained results are of practical interest for scientific basis formation of modern technologies of micro- and nano- devices creation with layers of graphene, metals and silicon.

Дисертація присвячена: дослідженню структурних і емісійних характеристик металевих і вуглецевих нано- та пікорозмірних об'єктів в умовах надпотужних електричних полів, розробці методів аналізу таких об'єктів за допомогою польових емісійних мікроскопів, встановленню особливостей формування польових електронних і іонних зображень вістрійних об'єктів в умовах зменшення їх розмірів до субнанометрового рівня, розробці високопольового методу отримання пікорозмірних об'єктів і реалізації в нанорозмірних об'єктах вольфраму і молібдену надміцних станів, визначенню максимально досяжних рівнів міцності нано- та пікорозмірних об'єктів і вивченню їх термічної і радіаційної стійкості. В роботі розглянуті питання підвищення розрізнення польових емісійних мікроскопів шляхом зменшення об'єктів дослідження. Реалізовано високопольовий метод виготовлення гранично малих вістрійних об'єктів - моноатомних вуглецевих ланцюжків (карбінів). Розроблено аналітичну модель розрізнення польових іонних зображень об'єктів, атомного масштабу. Встановлено, що перехід до зразків субнанометрового розміру призводить до підвищення теоретичної межі розрізнення польових іонних зображень до 0.14 ± 0.02 Å. Використовуючи надвисоке розрізнення, вперше експериментально виявлено димерні вуглецеві ланцюжки і елементарні субнанотрубки, стабільність яких передбачена теоретично. Встановлено. що будова субнонотрубок істотно відрізняється від структури фуллеренових і має вигляд стопки вуглецевих пентагональних кілець з прямокутними бічними гранями. Вперше отримані динамічні зображення вуглецевих ланцюжків зі зламами в процесі стереоконформаційнних перетворень і обертальних коливань. Досліджено емісійні властивості карбінових ланцюжків в інтервалі польових електронних струмів (10-9- 10 - 5А). Встановлено лінійність їх вольт-амперних характеристик в координатах Фаулера-Нордгейма. Максимальна щільність струму в моноатомних вуглецевих ланцюжках може сягати значень 3 × 1013 А / м2. Вперше отримано польові електронні зображення кінцевого атома вуглецевої ланцюжка, у вигляді молекулярних орбіталей в різних квантових станах. Зафіксовані оборотні спонтанні переходи з одного квантового стану в інший. Показано, що такі переходи можуть бути пов'язані зі структурними поліін-кумуленовими трансформаціями вуглецевих ланцюжків, що викликані зміною гібридизації в місці кріплення ланцюжка до графену внаслідок хемосорбції атомарного водню. Шляхом навантаження поверхневими силами Максвелла досліджено механічні характеристики пікорозмірних об'єктів. Міцність моноатомних вуглецевих ланцюжків на розтягнення склала 245 ГПа при 5K, а максимальні значення міцності нанолистів графена досягали 99ГПа при 77К. Методами комп'ютерного моделювання досліджено процеси руйнування вуглецевих ланцюжків і їх стабільність у часі при високих температурах. Встановлено, що при кімнатних температурах і вище локальні значення відносної деформації зв'язків в ланцюжках можуть істотно перевищувати критичні значення деформації атомних зв'язків при 0К, не приводячи до руйнування.На ідеальних бездефектних зразках отримано значення граничної міцності нанорозмірних вольфрамових і молібденових об'єктів, яке склало 21,9 ГПа для вольфраму і 13.5 ГПа для молібдену. Показано, що виникнення бездефектного стану у вістрійних зразках відбувається при гігапаскальному рівні навантаження и має місце ще до початку процесів руйнування. Шляхом механічного навантаження бікристальних нанозразків електричним полем визначено когезійну міцність несумірних меж зерен в вольфрамі, яка лежить в межах від 12,5 ГПа до 20,4 ГПа. Досліджено ерозію поверхні вольфраму при низькоенергетичному опроміненні гелієм. Визначено спектр поверхневих дефектів і особливості їх взаємного розташування на плоских ділянках поверхні з низькими індексами Міллера. Виявлено існування явища далекодіючої підповерхнової взаємодії власних міжвузлових атомів з адатомами радіаційного походження, яке призводить ло впорядкованного формування поверхневих ланцюжків радіаційних адатомів з відстанями, що істотно перевищують пряму міжатомну взаємодію. Методами математичного моделювання і польової іонної мікроскопії досліджено еволюцію поверхневих радіаційних дефектів при опроміненні. Виявлено процес колективного зміщення значних груп поверхневих атомів, що забезпечує радіаційно-стимульоване самолікування лінійних кластерів поверхневих ваканс, який може бути описаний в рамках делокалізованних поверхневих вакансій - воідіонів. Розроблено високопольовий метод експериментального визначення енергії утворення міжвузлових атомів на межах зерен, який дав можливість зробити висновок про зниження зерномежевої рухливості міжвузлових атомів відносно об'єму. Зроблен висновок про можливість одновимірного характеру міграції власних міжвузлових атомів в вольфрамі.^UThe dissertation is devoted to: the study of the structural and emission characteristics of metallic and carbon nano- and pico-sized objects under of superstrong electric fields the determination of the formation features of field emission images of pointed objects at their size reduction to subnanometer level, the development of high-field fabrication methods and mechanical loading of nano- and pico-sized objects to determine their strength, the investigation of thermal and radiation resistance of such objects. A high-field method for manufacturing extremely small pointed objects - monoatomic carbon chains (carbines) has been implemented. An extremely high level of resolution of field emission images has been achieved on the chains. The images of the upper atoms of the chains in the form of molecular orbitals were obtained. For the first time the dimeric carbon chains and elementary subnanotubes, which stability are predicted theoretically, have been experimentally discovered by ultra-high resolution. The emission properties of carbine chains are investigated and the linearity of their current-voltage characteristics in the Fowler-Nordheim coordinates is established. The strength of monatomic carbon chains and graphene nanosheets was experimentally determined by the Maxwell surface forces loading. The ultimate strength of tungsten and molybdenum nanoobjects was measured and the values of the cohesive strength of grain boundaries were obtained. The erosion of the tungsten surface under low-energy helium irradiation is investigated. The phenomenon of long-range interaction of own interstitial atoms with adatoms of radiation origin was discovered. The evolution of surface radiation defects under irradiation was investigated by methods of mathematical computer modeling. The process of collective movement of significant surface atoms groups is revealed. This process provides the radiation-stimulated self-healing of surface vacancies linear clusters and can be described in terms of delocalized surface vacancies - voidions.A high-field method for the experimental determination of the energy of formation of interstitial atoms at grain boundaries has been developed. It made possible to conclude the grain-boundary mobility of interstitial atoms is low. The analysis of the accumulation of radiation vacancies in tungsten nanocrystals of various sizes is carried out. The obtained data indicates the migration of own interstitial atoms in the volume is one-dimensional.

Дисертаційна робота присвячена питанням дослідження наноструктурованих матеріалів, створених на основі карбіду кремнію, оптимізації методів їх синтезу, хімічного модифікування та регулюванню фізико-хімічних властивостей. Значна увага приділена з'ясуванню впливу умов хімічної обробки на фізико-хімічні властивості та стан поверхні, а також розробці простих і ефективних методів їх модифікування і функціоналізації. Перспективи матеріалів з керованою морфологією на основі наноструктурованого SiC вбачаються у використанні в якості стійких носіїв каталізаторів, для розробки технологій одержання композитів і біосумісних наноматеріалів, сенсорних елементів та оптичних зондів у медико-біологічних дослідженнях.Представлено спосіб контрольованого зменшення розмірів наночастинок (НЧ) SiC від 17 до 9 нм шляхом регулювання температури прожарювання на повітрі у межах від 400 до 900 ˚С. Встановлено склад поверхні та силу кислотно-основних центрів НЧ SiC в залежності від обраного реагенту видалення оксидного шару. Серед підходів до функціоналізації поверхні НЧ SiC реалізовано можливість ковалентного прищеплення 1-алкенів безпосередньо до поверхні з формуванням гідрофобних НЧ SiC, а також залучення карбоксильних груп поверхні (що формуються в умовах окисного розчинення SiC дією суміші HF-HNO3) для модифікування ліофільних та електрокінетичних властивостей НЧ SiC.У роботі оптимізовано умови термохімічного синтезу мезопоруватого SiC з полімерного прекурсору SiC (полікарбосилану, PCS) методом нанокастингу із застосуванням в якості темплату наночастинок SiO2 із комерційно доступного водного золю, що дало можливість отримати поруватий SiC зі сферичними мезопорами розміром 12 та 22 нм. Проведено комплексне багатопараметричне дослідження зі встановлення факторів, що впливають на морфологію та кристалічність мезопоруватих SiC. Представлено дослідження залежності структурних параметрів мезопор, розміру кристалітів, що складають їх стінки від температури синтезу, складу нанокомпозиту PCS/SiO2 та способу його отримання. Також оцінено стійкість матеріалу до термічного окиснення в залежності від обраної температури синтезу (досліджено 1200, 1300 та 1400 ˚С). Наведено дані дослідження впливу кількості добавки комплексу Ni(II) на характер кристалічності фази SiC і на структуру кінцевого матеріалу та зроблено рекомендацію з підбору оптимальних умов термохімічного синтезу для отримання мезопоруватого SiC з морфологічними параметрами та кристалічністю, найкращими для використання в якості носія каталітично-активних наночастинок металів.Розглянуто процес електрохімічного розчинення (анодування) компактного полікристалічного SiC в розчинах HF та встановлено елементний, фазовий склад і морфологію продуктів. Досліджено вплив умов анодування (опір пластин SiC, склад електроліту, густина струму) на вихід продуктів та їх співвідношення. Вперше проведено детальне дослідження хімічної природи та фізикохімічних властивостей розчинного продукту електрохімічного травлення (т.зв. “вуглець фторооксид”, Carbon Fluorooxide, CFO) із залученням широкого набору незалежних фізичних і хімічних методів. В роботі проведено деяку аналогію між електрохімічним розчиненням SiC в результаті анодної реакції в розчинах HF та окисним хімічним травленням SiC під дією суміші HF–HNO3 через формування органічної речовини складної будови – CFO або його аналогів. Також наводиться порівняння встановлених фізико-хімічних властивостей CFO з природними (гумінові речовини) та синтетичними макромолекулярними сполуками та графен оксидом для оцінки структурної аналогії та відмінностей.Встановлено склад CFO за функціональними групами (-COO(H,Et), CAlk/Ar–(OH,F), та запропоновано модель будови цієї речовини. В межах елементного аналізу, встановлено хімічний стан та вміст Фтору в CFO за формами, а також досліджено кінетику його гідролітичного відщеплення в залежності від рН та лужності середовища. Охарактеризовано силу кислотних груп CFO та запропоновано методи нескладного хімічного модифікування і функціоналізації CFO через реакції карбоксильної групи з амінами (етилендіамін, діетаноламін та С18Н37-NH2) для спрямованої зміни ліофільних властивостей.У роботі представлені детальні дослідження оптичних властивостей CFO. Показано, що для CFO характерні як одно-, так і двофотонна фотолюмінесценція. Показана можливість використання виявлених фотолюмінесцентних властивостей CFO для біовізуалізації живих клітин. Електрокаталітична активність CFO у реакції відновлення Н2О2 використана при модифікуванні ним (у складі композитної плівки) планарних вугільних електродів та отриманні більш селективних електрохімічних сенсорів на перекис водню, що мають високу чутливість і широкий лінійний діапазон визначуваних концентрацій.^UThe dissertation is devoted to the study of nanostructured materials based on silicon carbide, optimization of their synthesis methods, chemical modification and regulation of physicochemical properties. Much attention was paid to elucidating the influence of chemical treatment conditions on the physicochemical properties and surface composition, as well as the development of simple and effective methods for their modification and functionalization. Prospects for the materials with controlled morphology based on nanostructured SiC were seen in the use as stable catalyst support, for the development of technologies of composites and biocompatible nanomaterials making, sensors elements and optical probes in biomedical research.The method of controlled reduction of SiC nanoparticles' (NPs) size from 17 to 9 nm by adjusting the calcination temperature in air in the range from 400 to 900 ˚C was presented. SiC NPs' surface composition and strength of the acid-base sites depending on the selected oxide layer removal agent were determined. Among the approaches to the functionalization of the SiC NPs' surface chemistry, the possibility of covalent grafting of 1-alkenes directly to the surface with the formation of hydrophobic SiC NPs, as well as the involvement of carboxyl surface groups (formed under oxidative etching in HF-HNO3 mixture) in modification of its lyophilic and electrokinetic properties were noted.Conditions of thermochemical synthesis of mesoporous SiC from a polymer SiC-precursor (polycarbosilane, PCS) via method of “nanocasting” were optimized using SiO2 nanoparticles (from commercially available aqueous sol) as a template, which made it possible to obtain porous SiC with spherical mesopores of 12 and 22 nm. The comprehensive multiparametric study to determine the factors influencing the morphology and crystallinity of mesoporous SiC was performed. The study of the dependence of structural parameters of mesopores, size of the crystallites making up their walls on the synthesis temperature, the composition of PCS/SiO2 nanocomposite and the method of its production were presented. The resistance of the material to thermal oxidation depending on the selected synthesis temperature (1200, 1300 and 1400 ˚С) was also evaluated The study data of the influence of the additive amount of Ni (II) complex on SiC phase crystallinity and structure of the final material were presented and the recommendation on selection of the optimal thermochemical synthesis conditions for obtaining of the mesoporous SiC with morphological parameters and crystallinity best for a support for catalytically active metal nanoparticles was made.The process of electrochemical dissolution (anodizing) of a compact polycrystalline SiC in HF solutions was considered and the elemental, phase composition and morphology of the products were determined. The influence of anodizing conditions (such as SiC plate resistivity, electrolyte composition, current density) on the yield of the products and their ratios was studied. For the first time, a detailed study of the chemical nature and physicochemical properties of the soluble product of SiC electrochemical dissolution (so-called “Carbon Fluorooxide", CFO) with a wide range of independent physical and chemical methods were performed. Some analogy was drawn between electrochemical dissolution of SiC as a result of anodic reaction in HF solutions and oxidative chemical etching of SiC under the action of HF – HNO3 mixture due to formation of organic matter of complex structure - CFO or its analogues. The physicochemical properties of the CFO were also compared to some natural (humic substances) and synthetic macromolecular compounds as well as graphene oxide in order to evaluate the structural analogy and differences.The CFO's functional groups composition was determined (-COO(H, Et), CAlk/Ar–(OH, F), and the structural model of this substance was proposed. Within the elemental analysis, the chemical state of Fluorine and its content in the CFO by chemical forms were made and also kinetics of its hydrolytic cleavage as a function of pH and alkalinity of the medium were studied. The strength of CFO's acid groups was characterized and the methods of simple chemical modification and functionalization through reactions of carboxyl group with amines (ethylenediamine, diethanolamine and C18H37-NH2) were suggested.The work represents detailed studies of the optical properties of CFO. It was shown that for CFO both one- and two-photon photoluminescence is characteristic. The possibility of using the detected photoluminescent properties of the CFO for biovisualization of living cells was shown. Electrocatalytic activity of the CFO in H2O2 reduction reaction was used to modify carbon planar electrodes (as a component of a composite film) in obtaining of more selective electrochemical sensor for hydrogen peroxide, which have high sensitivity and a wide linear range of detectable concentrations.

Об'єкт дослідження: біологічні макромолекули: ДНК, лізоцим, колаген, DOPC, молекула тиміну, загальна фракція ліпідів, виділена з пухлинних тканин, культури клітин до та після дії наноструктур різної природи та протипухлинних препаратів, зрізи тканин. Мета роботи: визначення спектроскопічних маркерів та молекулярних механізмів впливу наноструктур різної природи на конформаційні властивості біологічних молекул, а також на морфологічні та функціональні властивості клітин та тканин та виявлення взаємозв'язку між спектральним маркерами та конформаційними і структурними властивостями досліджуваних об'єктів. Методи дослідження: інфрачервона спектроскопія (FTIR), спектроскопія комбінаційного розсіяння світла (Раман спектроскопія), когерентна антистоксова Раман спектроскопія (CARS), конфокальна мікроскопія, МТТ–колориметричний тест, флуоресцентна спектроскопія, квантовохімічні розрахунки. Практичні результати: встановлено спектроскопічні маркери взаємодії біологічних макромолекул, клітин та тканин з протипухлинними препаратами та наноструктурами та визначено взаємозв'язки між спектральним маркерами та конформаційними властивостями досліджуваних біологічних об'єктів з метою їх практичного застосування для задач біофізики, біології, біохімії, медицини, діагностики, а також для фундаментальних досліджень. Наукова новизна: Вперше встановлено протекторну дію 2D-BN наночастинок в складі комплексу з доксорубіцином, показана можливість використання CARS спектроскопії для візуалізації біомолекул та вуглецевих наноструктур, показано, що багатошаровий графен можна використовувати як підложку для інфрачервоної спектроскопії з метою підсилення сигналів, зафіксовано впорядковану гель-фазу в загальній фракції фосфоліпідів з резистентного штаму пухлинних клітини при кімнатній температурі, визначено набір спектроскопічних маркерів для конформаційного аналізу вторинної структури колагену у складі тканин різного типу. Практичне значення: застосування для вивчення молекулярних механізмів взаємодії біомолекул з наноструктурами різної природи та лікарськими засобами.^UObject of research: biological macromolecules: DNA, lysozyme, collagen, DOPC, thymine molecule, total lipid fraction isolated from tumour tissues, cell cultures before and after exposure of the nanostructures with different nature and antitumor drugs, tissue sections. Objective: to determine spectroscopic markers and molecular mechanisms of different nanostructures influence on the conformational properties of biological molecules, as well as on the morphological and functional properties of cells and tissues and to identify the relationship between spectral markers and conformational and structural properties of studied objects. Research methods: infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS), confocal microscopy, MTT - colorimetric test, fluorescence spectroscopy, quantum chemical calculations. Practical results: spectroscopic markers of biological macromolecules, cells, and tissues' interactions with antitumor drugs and nanostructures were established, as well as relationships between spectral markers and conformational properties of studied biological objects were established for the purpose of practical application in biophysics, biology, biochemistry, medicine, and diagnostics, and for fundamental research. Scientific novelty: For the first time, the protective impact of 2D-BN nanoparticles in the complex with doxorubicin was demonstrated. It was shown the possibility to use the CARS spectroscopy to visualize biomolecules and carbon nanostructures. It was shown that multilayer graphene can be used as a substrate for infrared spectroscopy with enhancement properties. It was found the gel-phase in the total fraction of phospholipids from a resistant strain of tumour cells at room temperature. It was found a set of spectroscopic markers for conformational analysis of the secondary structure of collagen in different types of tissues. Practical significance: application for studying molecular mechanisms of interaction of biomolecules with different nanostructures and drugs.

Досліджено проблеми електронного транспорту в металоорганічних гетероструктурах молекулярного розміру. Визначено характеристики когерентної міграції енергії збудження у різних молекулярних двовимірних геометріях. У наближенні сильного зв'язку знайдено повний спектр гамільтоніану в присутності постійного електричного поля. Удосконалено й апробовано концепцію графену як макромолекули. З використанням методів DFT ідентифіковано смуги симетричних та асиметричних валентних коливань в інфрачервоних спектрах оліго(етилен-гліколів). Визначено молекулярну орієнтацію у самоорганізованих моношарах (СОМ) молекул типу алканотіол - амідний місток - олігомери етилен-гліколю на золотій підложці. Проведено теоретичне та числове моделювання експериментів з дослідження інфрачервоних спектрів СОМ.

  Скачати повний текст

Дисертаційна робота присвячена цілеспрямованій модифікації оптико-спектральних, електричних, теплопровідних та фотокаталітичних властивостей оксиду цинку шляхом пониження розмірності системи і змін технологічних процесів для отримання ефективних багатофункціональних матеріалів для оптоелектронних приладів. В результаті досліджень електричних і теплопровідних властивостей композитів на основі нано- та мікропорошків оксиду цинку, встановлено, що підвищення коефіцієнта теплопровідності композиту при використанні нанопорошку замість мікропорошку ZnO зумовлене балістичною теплопровідністю, зростанням екситонної теплопровідності та зменшенням контактного теплового опору. Проведено дослідження низькотемпературних спектрів фотолюмінесценції наноструктур ZnO, вирощених гідротермічним методом. Виявлено та інтерпретовано два чітко виражені піки: більш інтенсивний з максимумом при 3,36 еВ і менш інтенсивний при 3,32 еВ. На основі проведених досліджень термостимульованої люмінесценції (ТСЛ) наноструктур ZnO, вирощених з парової фази на сапфіровій підкладці, отримана інформація про природу їхньої “зеленої” смуги випромінювання. Визначено параметри центрів прилипання: енергію іонізації пасток, переріз захоплення носіїв заряду пасткою та частотний фактор. Отримані результати досліджень люмінесценції наноструктур ZnO є важливими для створення ефективних світлодіодів та лазерів на їхній основі. Досліджено вплив іонного бомбардування на фотокаталітичні властивості наноструктур оксиду цинку, вирощених з парової фази та гідротермічним методом. Встановлено, що для наностержнів ZnO, вирощених з парової фази, переважаючими дефектами поверхні є вакансії цинку, а для наностержнів, вирощених гідротермічним методом ‒ висока концентрація гідроксильних груп. Виявлений значний ефект підвищення швидкості розкладання барвника під дією електричного поля зумовлений ефективнішим перерозподілом зарядів та більшою кількістю гідроксильних радикалів на поверхні каталізатора. Проведено фрактальний аналіз поверхні синтезованих нано- і мукроструктур оксиду цинку. Розроблено технологію отримання нанокомпозитних фотокаталізаторів на основі оксиду цинку та поруватого кремнію (ZnO/p-Si). Продемонстровано, що “наноквiти” ZnO мають бiльш розвинену поверхню порiвняно з плiвками чи вертикально орiєнтованими наностержнями оксиду цинку. Розроблено технологію отримання нанокомпозитних фотокаталізаторів на основі нанастержнів оксиду цинку та бішару оксиду графену (ZnO/rGO). Оцінено поглинання відновленого оксиду графену у видимому спектральному діапазоні та розрахована мінімальна енергія електронного переходу. Досліджено каталітичні властивості нанокомпозита при деградації метилоранжу та здійснено порівняльний аналіз з характеристиками окремо взятих бішару rGO та наноструктур ZnO.^UThe dissertation is devoted to the purposeful modification of the optical-spectral, electric, heat conductivity and photocatalytic properties of zinc oxide by means of lowering of system dimensionality and changes of the technological processes in order to obtain the effective multifunctional materials for the optoelectronics. The investigations of the electrical and thermal conductive properties of composites based on nano- and micropowders of zinc oxide established that growth of the thermal conductivity of the the nanocomposites of ZnO in comparison with the microcomposites was caused by ballistic thermal conductivity, increasing of the exciton thermal conductivity and a decreasing of the contact thermal resistance. The low temperature photoluminescence spectra of ZnO nanostructures grown by hydrothermal method were investigated. There were observed and interpreted the two distinct peaks: more intensive one with a maximum at 3,36 eV and less intensive at 3,32 eV. Study of the thermally stimulated luminescence (TSL) of ZnO nanostructures grown from a vapor phase on a sapphire substrate provided information about the nature of their green emission band. The parameters of the adhesion centers are determined: the trap ionization energy, the trap carrier trapping cross section and the frequency factor. The investigations of ZnO nanostructures luminescence are important for creating of the effective LEDs and lasers based on them. The effect of ion etching on the photocatalytic properties of zinc oxide nanostructures grown from a vapor phase and by the hydrothermal methods have been investigated. It was found that zinc vacancies were predominant for ZnO nanorods grown from a vapor phase, whereas for ZnO nanorods grown by hydrothermal method ‒ a high concentration of hydroxyl group plays the most important role. A significant effect of the dye decomposition rate increasing under the action of an electric field has been found, which was associated with a more efficient charge redistribution and more high hydroxyl radicals' concentration on the catalyst surface. The fractal analysis of the surface of the synthesized nano- and microstructures of zinc oxide was performed. The technology of producing of the nanocomposite photocatalysts based on zinc oxide and porous silicon (ZnO/p-Si) have been developed. ZnO nanowires are characterized by a more developed surface in comparison with the films composed of the vertically oriented zinc oxide nanorods. The technology of production of the nanocomposite photocatalysts based on zinc oxide nanoparticles and graphene oxide bilayer (ZnO/rGO) have been developed. The absorption of reduced graphene oxide in the visible spectral range was estimated and the minimal electron transition energy was determined. The catalytic properties of the nanocomposite in the degradation of methyl orange were investigated and the comparative analysis of bilayer rGO and ZnO nanostructures was carried out.

Досліджено критичні швидкості надплинного руху в двокомпонентному надлишковому бозе-конденсаті, стаціонарні хвилі, що виникають за їх перевищення, а також критичні параметри надплинного стану магнітоекситонів у багатошарових напівпровідникових системах. Для двокомпонентної атомарної системи у загальному випадку різних швидкостей компонент одержано умови на критичні швидкості надплинного руху й умову стабільності системи відносно просторового розшарування компонент. Побудовано картини гребенів стаціонарних хвиль, які виникають у системі з точковою перешкодою у разі завищення критичних швидкостей. Виявлено збурення густини компонент залежно від відстані до перешкоди. Розглянуто двошарову систему на основі графена в перпендикулярному шарам магнітному полі. Встановлено, що для виникнення стану з міжшаровою фазовою когерентністю в такій системі та формування надплинного газу електрон-діркових пар необхідно прикласти перпендикулярне шарам електричне поле. Одержано залежність критичної температури від міжшарової відстані та магнітного поля. Досліджено надплинні можливості екситонів у чотиришаровій електронній системі в перпендикулярному магнітному полі. На основі критерію Ландау одержано критичні суми та критичні параметри системи. Набула подальшого розвитку теорія ефекту бездисипативного захоплення між надплинними екситонними компонентами.

  Скачати повний текст

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми – встановленню закономірностей фото-, термо- та адсорбційно-стимульованих електронних процесів у наносистемах на основі кремнію. Досліджено структурні та фрактальні характеристики кремнієвих наносистем, їх молекулярну структуру. Встановлено механізми впливу радіаційного опромінення ізотопом 226Ra на фотолюмінесцентні та електричні властивості поруватого кремнію і плівкових нанокомпозитів на його основі. Вивчено вплив орієнтації нанокристалів кремнію на оптико-люмінесцентні властивості системи кремнієвих наноструктур у епоксидній матриці. Продемонстровано можливість керування спектром багатосмугової фотоемісії структур поруватий кремній/ZnO шляхом зміни енергії квантів збудження. Вивчено особливості ефекту поля у поруватих напівпровідниках з циліндричною формою пор. Встановлено, що поверхневий потенціал і дебаєвська довжина екранування зменшуються зі збільшенням кривизни поверхні. Показано, що перерозподіл носіїв заряду може спричинити інверсію типу провідності, глибина якої залежить від густини поверхневого заряду та радіуса пор. Зареєстровано утворення фоточутливих електричних бар'єрів у структурах на основі поруватого кремнію внаслідок адсорбційного легування поруватого шару. Виявлено підвищення електропровідності та фотоерс, а також розширення спектральної фоточутливості структур внаслідок осадження електропровідних полімерів і наночастинок металів, графену та ZnO. Досліджено процеси перенесення та релаксації заряду у фрактальних структурах поруватого кремнію і наносистемах на його основі. Виявлено стрибкоподібний механізм перенесення заряду через систему локалізованих станів поблизу рівня Фермі у температурному діапазоні 12–120 К і актива-ційний механізм провідності у діапазоні 120–300 К. Визначено енергію акти-вації провідності неорганічних та органічно-неорганічних кремнієвих нано-систем. На основі температурних залежностей струму деполяризації визначено енергетичний розподіл густини заповнення локалізованих станів та іденти¬фіковано природу електрично активних дефектів. Вивчено сенсорні властивості наносистем на основі поруватого кремнію. Проаналізовано концентраційні залежності адсорбційної чутливості та визна-чено часові характеристики сенсорних елементів. Продемонстровано можли-вість ідентифікації газу і визначення його концентрації на основі аналізу сукупного відклику імпедансу елементів мультисенсорної системи.^UDissertation addresses scientific and applied problem related to the study of regularities of light, temperature and adsorption stimulated electronic processes in silicon-based nanosystems. Main regularities of the formation of nc-Si – dielectric, nc-Si – semiconductor, nc-Si – conductor and also hybrid organic-inorganic porous silicon-based nanosystems with predictable structural, optical and electrical properties were studied to establish the mechanisms of environmental influence on the electronic processes in silicon nanostructures. Using AFM and SEM methods structural and fractal properties of obtained nanosystems were studied. Molecular structure and mechanisms of interaction between the components of porous silicon based inorganic and organic-inorganic systems were investigated by means of Fourier IR spectroscopy. The mechanisms of influence of irradiation from 226Ra isotope on the photoluminescent and electrical properties of porous silicon and silicon-based film nanocomposites have been established. The influence of silicon nanocrystals orientation on optical-luminescent properties of silicon nanostructures in epoxy matrix was studied. It is demonstrated that nanocrystals shape anisotropy leads to anisotropy in photoluminescence polarization and effective refraction index of the nanosystem as a whole. Optical properties of the nanosystems are analyzed in the frame of effective medium model with cylindrical particles shape. The possibility of controlling the spectrum of multi-band photoemission of the porous silicon – zinc oxide nanosystems by adjusting the excitation energy is demonstrated. Peculiarities of the field effect in porous semiconductors with cylindrical pore shape were studied. Dependencies of electrostatic potential on the coordinate were analyzed for different pore radius, interpore distance and surface charge density. It is established that surface potential and Debye screening length decrease with increasing surface curvature. It is demonstrated that redistribution of charge carriers not only changes the electric conductivity of the porous layer but can also cause the inversion of the conductivity type. The inversion depth depends on the surface charge density and pore radius and can extend even through the entire layer. The possibility of controlling electronic parameters of silicon nanostructures by means of adsorption of chemically active or polar molecules from vapor or liquid phases was demonstrated. The formation of photosensitive electrical barriers in porous silicon-based structures due to adsorption doping of porous layer has been found. The effect of modification of porous layer by metallic nanoparticles having different inner work function and the influence of ZnO and graphene nanosheets deposition on electrical and photoelectrical properties of porous silicon structures was studied. It was established that incorporation of metals and graphene into porous silicon leads to the increase in conductivity and photoinduced voltage of sandwich structures due to the passivation of silicon nanocrystals and the formation of additional conductive channels in the porous layer. The expansion of spectral photosensitivity of porous silicon based structures due to ZnO deposition is revealed. Charge transport and relaxation processes in porous silicon based nanostructures were studied. Electrical conductivity mechanisms were established for the wide range of temperatures. Fractal structures based on porous silicon were shown to have several mechanisms of conductivity. Hopping charge transport via the system of localized states near the Fermi level in the temperature range of 12–120 K was revealed. At higher temperatures, activation mechanism of electric conductivity is dominating which is characterized by different activation energies in the temperature ranges of 120–200 K and 220–290 K. Activation energy of the electric conductivity for porous silicon in the low temperature region was found to be around 0.05 eV. The increase in activation energy due to oxide or polymer passivation of silicon nanostructures and graphene nanoparticle deposition was detected. Energy distribution of the localized states population density in porous silicon nanostructures was determined by means of thermally stimulated depolarization method. The nature of electrically active defects was identified and it was established that the change of silicon nanocrystals surface passivation causes a redistribution of the density of states in different energy ranges. The sensory properties of nanosystems based on porous silicon have been studied. Dependencies of adsorption sensitivity on the concentration were analyzed and time characteristics of sensor elements were determined. The possibility of gas identification based on overall impedance response of the multisensory system was demonstrated.

Досліджено структуру та нековалентну взаємодію одностінних вуглецевих нанотрубок з полінуклеотидами різної структурної організації. Вперше виявлено, що у водному середовищі за ультразвукового впливу порівняно довгі фрагменти однониткової ДНК багатошарово накручуються навколо нанотрубки за типом веретена. Запропоновано модель такого наногібрида, встановлено та розраховано методами квантової механіки найбільш характерні контакти між сусідніми нитками. Вперше одержано водну суспензію наногібридів, утворених фрагментованою двонитковою ДНК і нанотрубками. Запропоновано модель цього гібриду, згідно з якою з нанотрубкою спочатку взаємодіють однониткові фрагменти, а потім двонитковий фрагмент локалізується поблизу нанотрубки. Показано, що адсорбція двониткового полімеру на поверхню нанотрубки забезпечує його термостабілізацію. На основі квантово-механічних розрахунків встановлено структуру й енергії взаємодії в комплексах азотистих основ нуклеїнових кислот з вуглецевими нанотрубками та графеном.

  Скачати повний текст

В дисертації викладено результати дослідження структурних перетворень та електрофізичних параметрів графену під впливом радіаційного випромінювання, а також плівок оксиду графену та нанопористих вуглецевих плівок під впливом термічного відпалу.Встановлено механізм розсіювання носіїв заряду в одношаровому графені на діелектричній підкладці, що є визначальним при опроміненні малими дозами високоенергетичних електронів. Досліджено процес термічного відпалу плівок оксиду графену в атмосферних умовах у вузькому діапазоні температур. Показано, що відпал при температурі 250 ℃ протягом 5 хв призводить до зниження електричного опору на 7 порядків.Запропоновано і реалізовано метод синтезу аморфних вуглецевих плівок з нанопорами із використанням специфічного режиму планарного магнетрону. Показано, що відпал плівок в інертній атмосфері при температурах до 700 ℃ призводить до значної графітизації, росту електропровідності та зниження пористості.Продемонстровано можливість використання плівок відновленого оксиду графену та графітизованих вуглецевих плівок у якості резистивних сенсорів газів^UThe thesis presents the results of structural transformations and electronic properties of graphene under electron beam irradiation, as well as graphene oxide films and nanoporous carbon films under thermal annealing.The mechanism of charge carriers scattering for single layer graphene film onto SiO2\Si substrate, which is crucial in case of low dose high energy electron beam irradiation, has revealed.The process of the thermal annealing of the GO films in ambient conditions and narrow temperature range was studied. It was shown, that thermal annealing at temperature 250 ℃ during 5 min lead to decreases of electrical resistance up to 7 orders of magnitude.The method of nanoporous carbon films synthesis involving specific regime of planar magnetron sputtering technique was suggested and realized. It was shown, that thermal annealing of the films in inert atmosphere at temperatures up to 700 С results in significant graphitization, conductivity growth and decreases of the porosity.It was demonstrated that the films of reduced graphene oxide and nanoporous graphitized carbon films could be used for resistive gas sensors implementation.

Дисертаційну роботу присвячено розробці способів механохімічного одержання графеноподібних напівпровідників C3N4 і WS2 та модифікованих графенів, з'ясуванню за допомогою комплексу взаємодоповнюючих експериментальних методів впливу умов одержання вказаних матеріалів на їх будову, спектральні, електрохімічні властивості, а також на їх поведінку в процесах електрохімічного відновлення кисню, фотохімічного виділення водню з води, електрохімічного детектування біомолекул з близькими значеннями редокс потенціалу та генерування фотоструму в нанокомпозитах з електропровідними полімерами.На підставі проведених досліджень встановлено можливість модифікування графену функціональними групами та допування атомами азоту або одночасно азоту та фтору шляхом взаємодії механохімічно генерованих в структурі механохімічно одержаного графену активних центрів відповідно з аліфатичними спиртами, аміаком або продуктами термічного розкладу фториду амонію. Виявлено, що наночастинки одержаних графенів характеризуються переважно моношаровою морфологією, а їх латеральний розмір залежить від природи використаного розшаровуючого агента. За допомогою раманівської спектроскопії показано, що модифікування графенів підвищує упорядкованість їх структури.З'ясовано, що допований азотом графен в реакції відновлення кисню за рахунок особливостей будови характеризується більш високими електрокаталітичними властивостями у порівнянні з графеном, одночасно допованим азотом та фтором (NF-GR). При використанні у електрохімічних сенсорах наявність в наночастинках одержаних графенів допуючих атомів зумовлює їх високу електрокаталітичну активність та селективність при визначенні концентрації одночасно присутніх в водному розчині біомолекул допаміну, аскорбінової та сечової кислот.Показано можливість механохімічного одержання графеноподібних напівпровідникових C3N4 і WS2. Виявлено, що переважно моношарова морфологія графеноподібного C3N4 забезпечує більш високий відновний потенціал, ефективніші розділення і перенесення фотогенерованих зарядів, що зумовлює його високу фотокаталітичну активність в реакції виділення водню з води під дією світла.Встановлено, що значне гасіння фотолюмінесценції заміщених поліпарафеніленвініленів (MEH-PPV або кополімеру SuperYellow) та збільшення величини фотоструму в їх гібридних нанокомпозитах з механохімічно одержаними 2D матеріалами зумовлено переносом фотогенерованих електронів з макромолекул електропровідних полімерів на наночастинки модифікованих графенів або графеноподібних MoS2 і WS2.^UThe dissertation is devoted to the creation of methods for the mechanochemical production of graphene-like semiconductors C3N4 and WS2 and modified graphenes, using a set of complementary experimental methods to elucidate the influence of the preparation conditions of these materials on their structure, spectral, electrochemical properties, as well as on their behavior in the processes of electrochemical oxygen reduction, photochemical hydrogen evolution from water, electrochemical detection of biomolecules with close redox potential values and generation of photocurrent in nanocomposites with conductive polymers.The possibility of modifying graphene with functional groups and doping with nitrogen atoms or co-doping with nitrogen and fluorine atoms by means of the interaction of mechanochemically generated active centers in the mechanochemically obtained graphene structure with aliphatic alcohols, ammonia or products of thermal decomposition of ammonium fluoride, respectively, was established. It was found that nanoparticles of the obtained graphenes are characterized predominantly by monolayer morphology, and their lateral size depends on the nature of the exfoliating agent used. It was shown using Raman spectroscopy that modification of graphenes increases the ordering of their structure.It was found that graphene doped with nitrogen due to its structural features is characterized by higher electrocatalytic properties in the oxygen reduction reaction in comparison with graphene co-doped with nitrogen and fluorine (NF-GR). When used in electrochemical sensors, the presence of doping atoms in nanoparticles of the obtained graphenes leads to their high electrocatalytic activity and selectivity in determining the concentration of dopamine, ascorbic and uric acid biomolecules simultaneously present in an aqueous solution.The possibility of mechanochemical preparation of graphene-like semiconductor C3N4 and WS2 is shown. It was revealed that the predominantly monolayer morphology of graphene-like C3N4 provides a higher reduction potential, more efficient separation and transfer of photogenerated charges, which determines its high photocatalytic activity in the reaction of hydrogen evolution from water under the light irradiation.It has been found that significant quenching of the photoluminescence of substituted polyparaphenylenevinylenes (MEH-PPV or SuperYellow copolymer) and an increase in the photocurrent in their hybrid nanocomposites with mechanochemically prepared 2D materials are due to the transfer of photogenerated electrons from macromolecules of conductive polymers to nanoparticles of modified graphenes or MoS2 and WS2.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузi 10“природничi науки” за спеціальністю 104 “фізика та астрономія”. — Київськийнацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка, Мiнiстерство освiти i наукиУкраїни, Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка,Мiнiстерство освiти i науки України — Київ, 2020.Дисертаційна робота спрямована на розробку фізичних основ міцності ідовговічності карбін-графенових наноелементів в широкому інтервалітемператур за умови дії силового поля.На сьогодні переднім фронтом нанофізики є дослідження низьковимірнихсистем, оскільки вони «багаті» новими ефектами, а їх властивості єунікальними, що робить їх перспективними для практичного використання.Підтвердженням цього є Нобелівська премія з фізики 2010 року, а також,створений в 2015 році Національний інститут графена, який став європейськимцентром з досліджень графену, з акцентом на його комерціалізацію. Комбінаціядвовимірного об'єкта графена, з одновимірним карбіном, розглядається, насьогодні, як найбільш перспективний напрям практичного використанняунікальних властивостей цих нанооб'єктів. В цьому, перш за все, полягаєдоцільність і актуальність вибору об'єкта досліджень.^UThe thesis for a degree of Philosophy Doctor in the field of 10 "Natural sciences", thespecialty - 104 "Physics and Astronomy". — Taras Shevchenko Kyiv NationalUniversity, Ministry of Education and Science of Ukraine - Kyiv, 2020.The thesis is focused on the development of physical foundations of strength andlifetime of carbyne-graphene nanoelements over a wide temperature range under theaction of a force field.At present, the leading edge in nanophysics is study low dimensional systemsbecause they are "rich" with new effects and extraordinary properties that make thempromising for practical use. Proof of this is the 2010 Nobel Prize in Physics, as wellas the National Graphene Institute, created in 2015, which has become a Europeancenter for graphene research, with a focus on its commercialisation. The combinationof a two-dimensional graphene with a one-dimensional carbyne is considered todayto be the most promising area of practical utilisation of the exceptional properties ofthese nanoobjects. Just this is the feasibility and relevance of the choice of researchobject.

Методом DFT (U-B3LYP, 6-31G (d,p)) виконані розрахунки рівноважної будови вуглецевих нанокластерів (ВНК) гексагональної форми С6 С294 та властивостей як бездефектних, так і таких, які містять вакансії або впроваджені у графенову сітку атоми N (розділи 2 – 4). Встановлено, що основний електронний стан (ОЕС) ВНК С54 – С294 і дефектовмісних, а також систем, отриманих з ПАМ С96Н24 видаленням з молекули одного чи двох атомів Карбону, – не є синглетним. У бездефектного та дефектовмісних кластерах молекулярні орбіталі (МО), розподілені по подвійним (і майже потрійним) зв'язкам крайового циклічного ланцюга, залишаються вакантними, хоча відповідні їм енергії виявляються нижчими енергії деяких зайнятих фронтальних МО. ОЕС ізомерів ВНК С95N у залежності від положення у них атома N – не дублетний. Максимум лінії рівня N1s у спектрах кластерів С95N, С94N2 та С93N3 характеризується позитивним хімічним зсувом щодо положення цієї лінії у молекулі метиламіну.Реакція дисоціативної адсорбції молекули Н2 на азот- і боровмісних матрицях – екзотермічна, а для моделі чистої вуглецевої матриці – ендотермічна (розділ 5). Енергетичні параметри хемосорбції вказують на неефективність використання виключно вуглецевих матеріалів для хімічної адсорбції молекули Н2Каталітичну активність допованого N графену в реакції відновлення кисню (РВК) можна пояснити двома факторами: малою шириною забороненої зони в азотовмісних кластерах і активацією атомів С атомами N (розділ 6).Ключові слова: графен, ВНК, метод DFT, вакансії, дефектовмісні кластери, спінові стани, допування атомами N та В, РВК.^UCalculations by the quantum chemical method DFT using U-B3LYP, 6-31G (d, p) have showen that the electronic ground state (EGS) of ideal hexagon-shape carbon nanoclusters (CNC) C54 – C294 is not singlet. Their equilibrium spatial structure is such that the 2pz-orbitals of the atoms of the boundary cyclic chain (BCC) form a conjugate system weakly bound to the π-system of the inner part of the cluster, which allows it to be considered relatively independent. The distributions of the molecular electrostatic potential for their EGS have significant anisotropy, determining their electron and proton donor properties. The spectrum of one-electron energy levels in them is such that the molecular orbitals (MO) distributed along the BCC bonds remain vacant, although the corresponding energies are lower than the energies of some occupied frontier MOs. For small CNC of high symmetry, the usual dependence of the band gap on the number of atoms is not realized, due to the presence in them of twice-coordinated carbon (C(2)) atoms.The properties of CNCs and similar in structure and gross composition of polyaromatic molecules (PAM) differ significantly. This is especially true for the high-spin states of CNCs and the presence of two loosely coupled systems.For defect-containing clusters obtained from C96 CNC of ideal hexagonal shape by removing one (C96-1(1)) or two non-adjacent (C96-2(1)), or one (C96-1(2)) or two (C96-2(2)) non-adjacent pairs of carbon atoms, it is found that, despite the even number of electrons in them, the GES is not singlet. A similar conclusion is valid for systems that are obtained by removing from PAM C96H24 of one or two non-adjacent carbon atoms. The EGS of C95N isomers obtained from C96 CNC by replacing one carbon atom with a nitrogen atom (CNC-N) is in some cases, dependent on the position of the N atom, not a doublet. The most stable of the C95N clusters are those in which the Nitrogen atom occupies a pyridine position at one of the zigzag edges. The maximum of the core level line N1s in the calculated density spectra of single-electron states of CNC C95N, C94N2 and C93N3 is characterized by a positive chemical shift relative to the position of this line in the reference nitrogen-containing compound – methylamine. The magnitude of the chemical shift of the core level N1s is the smallest for the pyridine arrangement of the nitrogen atom and increases as the distance of the N atom embedded in the graphene matrix from the zigzag edge is removed. The reaction of dissociative adsorption of molecular hydrogen on nitrogen- and boron-containing graphene-like matrices is exothermic, and for models of pure carbon graphene-like matrix, the calculated data indicate a low probability of chemical adsorption of the H2 molecule on normal conditions.Regardless of the size of the polyaromatic molecule, for a pure carbon analogue, the energy value of the lower vacant molecular orbital has the lowest absolute value and the highest for boron-containing, indicating the highest electron acceptor capacity and therefore oxidative capacity relative to the hydrogen molecule as a reducing agent.The catalytic activity of nitrogen-doped graphene in the oxygen reduction reaction (ORR) can be explained by a combination of several factors, namely the reduction of the band gap in nitrogen-containing clusters compared to the original, purely carbon, cluster and the activation of carbon atoms by the neighbor nitrogen atoms. In the proposed consideration of ORR, there was used one of the possible structures that are formed by doping the original pure carbon graphene matrix. At other mutual arrangements of nitrogen atoms other types of activation of carbon atoms which are neighbors of the N atoms embedded in a matrix are possible dependent on the microstructure of the active sites formed during the chemical production of nitrogen-doped samples of graphene.Keywords: graphene, CNC, DFT method, vacancies, defectcontaining clusters, spin states, doping with N and B atoms, ORR.

Здійснено теоретичне дослідження фізичних властивостей низькорозмірних систем квазірелятивістських ферміонів, квантованих у зовнішньому полі топологічних дефектів. Обчислено температурну квадратичну флуктуацію повного кутового моменту та температурні кореляції повногокутового моменту зі спіном і орбітальним кутовим моментом у двовимірному релятивістському фермі-газі з магнітним вихровим дефектом. Установлено, що залежно від вибору межової умови у місці магнітного вихра вакуумне значення повного кутового моменту може бути або точно спостережуваним в окремому квантовому вимірюванні, або результатом усереднення за багатьма квантовими вимірюваннями. Показано, що топологічний дефект у графені, який призводить до скручення графітового листа в наноконус, описується псевдомагнітним вихром у вершині конуса. Одержано точні аналітичні вирази для електронної густини станів графену з різниии дикслинаціями. Показано, що за наявності у графені з дисклинацій у вигляді одного п'ятикутника, одного семикутника та трьох семикутників можливе індукування одиничного заряду основного стану.

  Скачати повний текст

В рамках мікроскопічного модельного підходу розроблено теорію впливу таких зовнішніх факторів, як тиск, електричне поле, інтеркаляція (зміна хімічного потенціалу) та ін. на різноманітні ґраткові системи типу лад-безлад.Інтеркаляція нікелем кристалів селенідів галію й індію породжує в них електретну поляризацію. Запропоновано мікроскопічну модель типу лад-безлад, що враховує перерозподіл атомів інтеркалянта між неполярними октаедричними та полярними тетраедричними позиціями у ван-дер-ваальсових щілинах кристалів. Розраховані температурні залежності діелектричної сприйнятливості якісно відтворюють експериментальні результати для проникливості.Для інтеркальованого літієм анатазу, що використовується у літій-іонних батереях, характерно співіснування багатої та бідної на літій фаз та наявність двох можливих позицій для літію у кисневих октаедрах. Як показав проведений симетрійний аналіз, викликана інтеркаляцією деформація гратки може супроводжуватися впорядкуванням антисегнетоелектричного типу. Для опису даної сполуки запропоновано також мікроскопічну модель, яка поєднує риси моделей Міцуї та Блюма-Емері-Гріффітса та використовує результати симетрійного аналізу. В широкому температурному діапазоні виявлено фазове розшарування на порожню та напівзаповнену фази, що цілком відповідає співіснуванню фаз у інтеркальованому кристалі.Вплив інтеркаляції на електронну зонну структуру шаруватої наногібридної сполуки типу GaSe зі стадійним впорядкуванням вивчено у модифікованій версії періодичної моделі Андерсона. Інтеркальовані частинки формують додаткову зону у вигляді вузької домішкової зони або достатньо широкої, що гібридизується з основною. Найбільш виражена зміна основної зони відбувається поблизу домішкового рівня.Досліджено перехід у фазу з бозе-конденсатом у моделі Бозе-Хаббарда з двома локальними станами при перенесенні бозонів лише у збудженій зоні. Продемонстровано можливість фазового розшарування на нормальну фазу і фазу з бозе-конденсатом за фіксованої середньої концентрації бозонів. З метою врахування неергодичності одночастинкову спектральну густину отримано в наближенні хаотичних фаз за допомогою температурних бозонних функцій Гріна. Неергодичний внесок до функції розподілу частинок за імпульсом суттєво наростає і стає співмірним з ергодичною частиною в надплинній фазі біля трикритичної точки.Досліджено зонний спектр бозе-атомів у двовимірних гексагональних оптичних ґратках із структурою типу графену. У наближенні хаотичних фаз розраховано для нормальної фази закони дисперсії в зонах та одночастинкові спектральні густини. Для ґратки з енергетично еквівалентними вузлами отримано температурно залежний безщілинний спектр з точками Дірака на краю зони Бріллюена. Вивчено енергетичний спектр системи бозе-атомів у надплинній фазі в оптичних ґратках типу графену.Досліджено спектр колективних збуджень фононного типу в системі бозе-атомів у оптичній ґратці. Використано дворівневу модель, яка приймає до уваги переходи бозонів між основним і першим збудженим станом у потенціальних ямах, а також взаємодію між ними. Показано, що спектр збуджень складається у нормальній фазі з однієї зони екситонного типу, в той час як у фазі з бозе-конденсатом виникає додаткова зона. Вивчено можливість модуляції з подвоєнням періоду ґратки, а також однорідного зміщення частинок з рівноважних позицій. Ефекти, породжені зовнішнім тиском у кристалі SnPS, вивчено у рамках деформовної моделі Блюма-Емері-Гріффітса, яка відповідає локальному потенціалу з трьома мінімумами. Встановлено наявність аномалій в області сегнетоелектричних фазових переходів першого та другого роду, а також критичної точки; вивчено поведінку об'ємної стисливості для цих випадків.Для опису діелектричних властивостей сегнетової солі запропоновано чотирипідграткову модифікацію моделі Міцуї, яка враховує симетрійні особливості гратки та просторову орієнтацію ефективних диполів. Вивчено вплив поперечного електричного поля на поляризацію, зсув точок фазових переходів та аномалії діелектричної сприйнятливості.^UIn the microscopic model approach a range of theoretical descriptions were developed considering the effect of such external factors as pressure, electric field, intercalation (change of chemical potential), etc., on various order-disorder lattice objects.Intercalation of gallium and indium selenide crystals by nickel initiates their electret polarization. A microscopic model of order-disorder type has been proposed that considers redistribution of intercalant atoms between non-polar octahedral and polar tetrahedral positions in the crystal van der Waals gaps. The calculated temperature dependences of dielectric susceptibility qualitatively reproduce experimental results for permittivity.Lithium intercalated anatase used in Li-ion batteries has some special features: coexistence of Li-rich and Li-poor phases as well as two possible positions for Li ions in the oxygen tetrahedron. As shown by the performed symmetry analysis, the intercalation induced lattice deformation can be accompanied by the ordering of antiferroelectric type. A microscopic model for description of the compound is also proposed which combines features of the Mitsui and Blume-Emery-Griffits models and utilizes the symmetry analysis results. A phase separation into the empty and half-filled phases in a wide temperature range has been found closely resembling the phase coexistence in the intercalated crystal.Influence of intercalation on the electronic band structure of the layered nanohybrid compound of the GaSe-type with a stage ordering is studied in the modified version of the periodic Anderson model. Intercalated particles form an additional band like the narrow impurity band or the more extended band hybridized with the main one. The most pronounced transformation of the main band takes place in the vicinity of the impurity level.Phase transition into the phase with the Bose-Einstein condensate in the Bose-Hubbard model with two local states and the particle hopping in the excited band only is investigated. A possibility of separation on the normal phase and the phase with the BE condensate at the fixed average concentration of bosons is demonstrated. For consideration of the non-ergodicity, the single-particle spectral density is calculated in the random phase approximation by means of the temperature boson Green functions. The non-ergodic contribution to the momentum distribution function of particles increases significantly and becomes comparable with the ergodic one in the superfluid phase near the tricritical point.The band spectrum of Bose-atoms in two-dimensional hexagonal optical lattices with the graphene type structure is investigated. The temperature-dependent gapless spectrum with Dirac points placed on the border of Brillouin zone is obtained for the lattice with energetically equivalent sites. Energy spectrum of superfluid phase of the Bose-atom system in the optical lattices of the graphene type is investigated.The spectrum of phonon-like collective excitations in the system of Bose-atoms in optical lattice is investigated. The two-level model taking into account the transitions of bosons between the ground state and the first excited state in potential wells, as well as interaction between them, is used. It is shown that excitation spectrum in normal phase consists of the one exciton-like band, while in the phase with BE condensate an additional band appears. A possibility of modulation, which doubles the lattice constant, as well as the uniform displacement of particles from equilibrium positions are studied.The effects, taking place under external pressure in the SnPS crystal, are investigated in the framework of the deformable Blume-Emery-Griffiths model corresponding to the local potential with three minima. The presence of anomalies in the regions of ferroelectric phase transitions of the first and second order as well as the tricritical point is established; the behaviour of the volume compressibility in these cases is investigated.A simple four-sublattice order-disorder model is proposed for description of dielectric properties of the Rochelle salt crystal. Symmetry properties of the lattice and spatial orientations of effective dipoles are taken into account. An effect of the transverse electric field on spontaneous polarization, shifts of the phase transition points and dielectric susceptibility anomalies is studied.

  Скачати повний текст