СНОВА К ОСНОВАМ

Муары и сверхразрешение: теперь и в нейтронографии

Эффект муара – возникновение длиннопериодической картины при наложении двух периодических структур – давно и широко применяют в самых различных измерительных приборах для повышения точности, контроля качества поверхности и т.д. В современной физике конденсированного состояния тоже обнаруживают различные проявления эффекта муара, как например, возникновение муаров в двуслойном графене (см. заметку в ПерсТ [1]). Поэтому не приходится удивляться, что эффекту муара нашли применение и в нейтронографии для повышения разрешения нейтронных исследований.

Группа ученых из Канады и США в недавно опубликованной статье [2] представила разработку нейтронного интерферометра, использующего эффект муара для повышения разрешения.

Схема нейтронного интерферометра.

Система содержит три фазовых решетки. Первая решетка дает стандартные дифракционные максимумы под определенными углами. Вторая решетка G2 создает фурье-образ первой решетки G1 на определенном расстоянии. Третья решетка G3 аналогична первой, но сдвинута на некоторое расстояние от той плоскости, где находится фурье-образ решетки G1. В отсутствие исследуемого образца на экране образуется картина муара из полос с периодом, обратно пропорциональным D2-D1. Период муара можно сделать достаточно большим, и анализировать эту картину без  применения   дополнительной   оптики.   Кроме   того, существует определенное расстояние D2-D1, обеспечивающее оптимальный контраст интерференционной картины. Присутствие образца нарушает эту картину, и по ее искажению можно судить о характеристиках исследуемого образца.

Авторы утверждают, что интерферометр, использующий эффект муаров, менее требователен к точности установки деталей и монохроматичности источников, чем дающие аналогичное разрешение интерферометры Маха-Цандера. Успехи в реализации подобных систем говорят о том, что изобретатели еще не раз обратятся к красивой и универсальной идее муаров.

З. Пятакова

1.  ПерсТ 18, вып. 13/14, с. 2 (2011).

2.  D.Sarenac et al., Phys. Rev. Lett. 120, 113201 (2018).

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Гибкий резистивный нагреватель из Ag нанопроволоки в “перламутре”

Исследователи из Nanyang Technological Univ. (Сингапур) сообщили о создании нового материала, который можно использовать как гибкий резистивный нагреватель в носимых устройствах [1]. Прототипом послужил лёгкий, но очень прочный перламутр. Этот природный биокомпозит состоит из “кирпичиков” – пластинок арагонита, образующих параллельные слои. Промежутки между “кирпичиками” заполнены наноструктурным “строительным раствором” из хитина и белков. Изучение иерархической структуры перламутра уже позволило ученым, в том числе и авторам [1], разработать ударопрочные керамику и стекла, композитные полимерные пленки и покрытия разного назначения (см. также ПерсТ [2]). Однако гибкие прозрачные пленки для резистивного нагрева сделать до сих пор не удавалось. Плёночные ITO (Indium-Tin Oxide) структуры на основе оксидов индия и олова имеют хорошие оптические и электрические свойства, однако они дорогие и хрупкие. Альтернативным материалом является сетка из Ag нанопроволоки (Ag-NW) на термопластике, но такие нагреватели имеют грубую поверхность и недостаточную механическую прочность из-за слабой адгезии нанопроволоки к пластику. Сингапурские исследователи предложили новую прозрачную гибкую нанокомпозитную основу (NC), имитирующую перламутр. Перемешивание дисперсии лапонита* с поливиниловым спиртом и последующее удаление воды позволило путем самосборки получить упорядоченные слоистые пленки из нанопластинок лапонита, покрытых полимером. Для синтеза пленки (сетки) из Ag нанопроволоки авторы [1] использовали вакуумную фильтрацию дисперсии Ag-NW в этаноле. Затем методом горячего прессования из Ag-NW и основы NC получили композит Ag-NW/NC (рис. 1,2).

Рис. 1. Схема получения резистивного нагревателя из Ag нанопроволоки, внедренной в “перламутровую” основу со структурой brick-and-mortar
(“кирпич-раствор”). Также показано возможное применение для выделения при помощи нагрева антибиотика
VM из гидрогеля, покрытого PCM
(
phase change material).

 

 

Рис. 2. SEM изображения поперечного сечения (излома) слоистой NC основы (слева) и
композитной пленки
Ag-NW/NC при плотности Ag-NW, равной 64 мг/м2 (справа).

 

Новый пленочный материал имеет очень хорошие оптические и электрические характеристики, сравнимые с характеристиками ITO: поверхностное сопротивление от 10 до 80 Ом/квадрат и коэффициент пропускания для 550 нм от 70 до 91% (при уменьшении плотности AgNW от 111 до 23 мг/м2). Сопротивление практически не меняется при многократном (до 2000 циклов!) сгибании или скручивании в трубочку (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Фотографии Ag-NW/NC (64 мг/м2), демонстрирующие стабильность работы при складывании и скручивании.

Нагреватель дает быстрый (10 сек) и длительный тепловой отклик при низком входном напряжении. Благодаря отличным оптическим, электрическим и механическим свойствам он может быть использован для выделения различных молекул, например, лекарств, при контролируемом нагреве, а также, конечно, найдет применение в гибких носимых устройствах.

О. Алексеева

_______________

*Лапонит – синтетический силикат слоистой структуры. В последние годы используется для получения композитов с наночастицами металлов, которые удерживаются в межслоевом пространстве или на поверхности слоев.

1. P.Das et al., ACS Appl. Nano Mater. 1, 940 (2018).

2. ПерсТ 20, вып. 18, с.3 (2013).

МУЛЬТИФЕРРОИКИ

Электрическое переключение 2D ван-дер-ваальсовых магнитов

Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры – материалы, собираемые из двумерных слоев различных кристаллов подобно деталям детского конструктора. Как следует из названия, сцепление между слоями обеспечивается относительно слабыми (по сравнению с ковалентной связью) кулоновскими силами межатомного взаимодействия. В последние несколько лет стали появляться сообщения о ван-дер-ваальсовых магнитных материалах, позволяющих изучать двумерный магнетизм и создавать материалы с заданными магнитными свойствами методами инженерии гетероструктур. Например, магнитный полупроводник CrI3 является ферромагнитным при нечетном числе атомных слоев и антиферромагнетиком – при четном [1].

В недавней работе [2] исследователи из Cornell Univ. и Pennsylvania State Univ. (США) создали на основе CrI3 и других двумерных материалов гетероструктуру, напоминающую полевой транзистор: роль затворного контакта играли листы графена, а подзатворного диэлектрика – нитрид бора. В результате ими были продемонстрированы новые магнитоэлектрические свойства ван-дер-вальсовской структуры: под действием электрического напряжения магнитный порядок двойного слоя CrI3 может перестраивается из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и обратно (см. рис.), что эквивалентно воздействию магнитного поля в половину Тесла и магнитоэлектрическому эффекту на полтора порядка больше, чем в классическом магнитоэлектрике Cr2O3.

 

Переключение двойного слоя ван-дер-ваальсова магнита с помощью электрического поля [1]. Структура находится в магнитном поле смещения ~0.5 Тесла.

 

Тут стоит сделать обычную в таких случаях оговорку: магнитоэлектрический эффект проявляется в CrI3 только при низких температурах. Впрочем, наука о 2D магнитах только начинает свое развитие, и она совсем необязательно будет вечно оставаться в рамках физики низких температур.

А. Пятаков

1. B.Huang, et al., Nature 546, 270 (2017).

2. Sh.Jiang et al., Nature Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0040-6 (2018).

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Кремниевые бакиболы против призманов

На страницах предыдущего выпуска ПерсТа [1] мы уже рассказывали о термической устойчивости углеродных полипризманов, которые можно квалифицировать как углеродные нанотрубки с экстремально малым поперечным сечением в виде правильного многоугольника. Как оказалось, даже небольшие призманы не способны долго существовать при комнатной температуре, поэтому их применение в наноэлектронике без использования хладагентов или дополнительной химической модификации достаточно затруднительно. В то же время некоторые их кремниевые аналоги, так называемые силапризманы, в том числе эндоэдральные (содержащие дополнительный атом внутри кремниевой клетки), ряд исследователей характеризуют как “ультрастабильные”, тем самым допуская их непосредственное участие во “втором рождении” кремниевой электроники в качестве базовых ее элементов и устройств. В работе [2] авторы представили результаты глобальной оптимизации кластеров Si18H12 и Si19H12 с целью понимания энергетического места силапризманов и соответствующих эндоэдральных комплексов (см. рис.), а именно их устойчивости, относительно других возможных изомеров.

Молекулярные структуры классического силапризмана Si18H12 (слева) и эндоэдрального комплекса на его основе Si@Si18H12 (справа).

 

 

Для глобальной оптимизации они применили генетический алгоритм в сочетании с теорией функционала плотности. Такая непростая задача потребовала одновременного использования сразу нескольких программных средств: ASE, DFTB+, GAMESS и TeraChem. В результате оказалось, что форма свободных молекулярных систем Si18H12 и Si19H12 в основном энергетическом состоянии напоминает скорее допированные водородом неклассические или дефектные фуллерены или бакиболы, а отнюдь не призманы. На следующем шаге исследователи предприняли попытку разобраться, каким образом пространственное ограничение (конфайнмент) цилиндрического типа способно повлиять на структуру низкоэнергетических изомеров Si18H12 и Si19H12. Такая формулировка соответствует ситуации, как если бы кремниевую структуру поместили, например, в классическую углеродную нанотрубку большего диаметра. К сожалению, и в этом случае силапризманы оказались не самыми низкоэнергетическими системами, хотя авторы отмечают, что их формирование под действием конфайнмента становится более предпочтительным, чем в его отсутствие. Тем не менее, такой процесс как самосборка силапризманов из силанов и молекулярного водорода при комнатной температуре, как предсказывали некоторые исследователи, не представляется возможным. В итоге однозначно говорить об абсолютной ультрастабильности силапризманов не приходится. И хотя авторы дополнительно рассчитали оптические спектры, по которым теоретически можно отделить силапризманы от других изомеров, их получение остается открытой проблемой. Бакиболы пока выигрывают.

М. Маслов

1. ПерсТ 25, вып. 3/4, с. 7 (2018).

2. M.V.Gordeychuk et al., Int. J. Quant. Chem., https://doi.org/10.1002/qua.25609 (2018).

Устойчивость одномерных фуллереновых полимеров

Одномерные фуллереновые полимеры (FP) – это сравнительно новый тип углеродных аллотропов, впервые полученный с помощью облучения кристаллов C60 электронным пучком. Подобные системы можно рассматривать как особый вид углеродных нанотрубок переменного диаметра (см. рис.). Основным механизмом их формирования исследователи называют серию трансформаций Стоуна-Уэльса между соседними молекулами C60. Компьютерное моделирование с помощью теории функционала плотности предсказывает больше пятидесяти (точнее, пятьдесят четыре) различных типов одномерных фуллереновых полимеров [1], которые в зависимости от атомной геометрии области коалесценции содержат энергетическую щель в электронной зонной структуре или не имеют таковой, обладая, соответственно, полупроводниковыми или металлическими характеристиками. Однако фононные спектры, указывающие на динамическую устойчивость этих систем, до настоящего времени подробно не исследовались. Авторы работы [2] постарались устранить этот пробел. С помощью классического потенциала Терзофа они переоптимизировали предсказанные ранее FP и выяснили, что лишь семь типов фуллереновых полимеров оказываются динамически стабильными, в то время как остальные содержат мнимые частоты в фононном спектре и, следовательно, неустойчивы. Стабильными оказались структуры FP0A, FP2D, FP2E, FP3E, FP3F, FP4L и FP5N (см. рис.), где в обозначении FPnX n = 0 ¸ 6 соответствует числу последовательных трансформаций Стоуна-Уэльса в области коалесценции исходного полимера FP0A, а символ X = A, B, C, … вводится для дополнительной классификации – различения систем с одинаковыми n (подробнее см. работу [1]). Области коалесценции FP0A и FP5N состоят лишь из семи- и восьмичленных колец, соответственно, тогда как оставшиеся фуллереновые полимеры могут содержать также пяти- или шестичленные кольца (см. рис.).

Устойчивые атомные структуры одномерных фуллереновых полимеров: вид сбоку (слева), вдоль основной оси полимера (в центре)
и схематическое изображение области коалесценции соседних фуллеренов (справа, пятиугольники обозначены красным,
шестиугольники – белым, семиугольники – желтым и восьмиугольники – зеленым цветами).

Разобравшись с динамической устойчивостью, авторы рассчитали зависимость решеточной удельной теплоемкости на элементарную ячейку от температуры, предполагая электронный вклад пренебрежимо малым. Оказалось, что при высоких температурах, превышающих 2000 K, величина удельной теплоемкости стремится к 180kB, подчиняясь закону равнораспределения, а при температурах ниже 10 K наблюдается корневая зависимость удельной теплоемкости от температуры. Авторы рассчитывают, что дальнейшие экспериментальные наблюдения должны подтвердить их прогнозы.

М. Маслов

1. Y.Noda et al., J. Phys. Chem. A 119, 3048 (2015).

2. A.Shimizu et al., Chem. Phys. Lett. 694, 14 (2018).

КОНФЕРЕНЦИИ

Научный семинар “Топологически нетривиальные материалы: двумерные и трёхмерные топологические изоляторы”,
4 апреля 2018 г.,  АО “НИИМЭ” (
г. Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 12, строение 1, 4-й этаж, зал НТС, 11:00)

Организаторами научного семинара являются: Отделение нанотехнологий и информационных технологий Российской академии наук, Научный совет РАН “Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания”, Консорциум “Перспективные материалы и элементная база информационных и вычислительных систем”.

Цель научного семинара – оценка текущего состояния, проблем и перспектив развития топологических изоляторов.

Программа

·    Академик РАН Г.Я. Красников (АО “НИИМЭ”) – открытие научного семинара

·    Докт. физ.-мат. наук О.Е. Терещенко (ИФП СО РАН), канд. геол.-минерал. наук К.А. Кох (ИГМ СО РАН), В.А. Голяшов (ИФП СО РАН), докт. физ.-мат. наук А.М. Шикин (СПбГУ) “Электронная и спиновая структура топологических изоляторов и графеноподобных систем”

·    Докт. физ.-мат. наук В.А. Волков (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН) “Поверхностные состояния дираковских и вейлевских фермионов”

·    Докт. физ.-мат. наук С.А. Тарасенко (ФТИ им. А.В. Иоффе) “Двумерные и трехмерные топологические изоляторы на основе HgTe”

·    Докт. физ.-мат. наук Э.В. Девятов (ИФТТ РАН) “Исследование топологических поверхностных состояний при помощи сверхпроводящих контактов”

·    Докт. физ.-мат. наук Д.Х. Квон (ИФП СО РАН) “Топологические изоляторы на основе HgTe”

·    Канд. физ.-мат. наук С.И. Божко (ИФТТ РАН) “СТМ/СТС поверхностных состояний топологических изоляторов”

·    Член-корр. РАН Д.Р. Хохлов (МГУ) “Фотогальванические эффекты в двумерных и трёхмерных топологических изоляторах”

Для прохода на мероприятие при себе иметь паспорт.

Контактная информация:

ученый секретарь Научного совета: Тельминов Олег Александрович
тел. (495) 229-74-97, моб. (916) 693-08-14, факс (495) 229-70-94, эл. почта:
otelminov@niime.ru

ученый секретарь Научного совета: Харченко Людмила Юлиановна
моб. (916) 566-34-76, эл. почта
: kharchenko2009@mail.ru

II-я Всероссийская научно-практическая конференция “Научное приборостроение современное состояние и перспективы
развития”, 4-7 июня 2018 г., г. Казань, Россия

На конференции будут обсуждаться тенденции развития отечественного и зарубежного научного приборостроения, существующий научный задел институтов и производственно-технологическая база предприятий, вопросы взаимодействия институтов и предприятий приборостроительного комплекса ФАНО России для обеспечения собственных потребностей в оборудовании и приборах, а также реальные потребности внутреннего и внешнего рынков. В рамках конференции пройдет выставка приборов и оборудования.

Секции:

• Аналитическое и измерительное оборудование

• Специализированное и уникальное оборудование

• Технологическое оборудование

• Биологическое и медицинское оборудование

Нефтехимическое оборудование

• Информационные технологии.

По программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на конференции будет проводиться отбор работ “Участник молодежного научно-инновационного конкурса” (“У.М.Н.И.К.”) на 2019 год. Возраст участников конкурса от 18 до 30 лет (включительно).

Ключевые даты:

Cрок предоставления заявок – 30 марта 2018 г.

Срок предоставления тезисов докладов – 5 апреля 2018 г.

Контактная информация:

Сорокина Анна Юрьевна, тел. (495) 547-13-01 (доб. 3065), эл. почта: sorokina@fano.gov.ru

Фаттахов Яхъя Валиевич, тел. (843) 292-57-50, эл. почта: fattakhov@kfti.knc.ru,

Сайт: http://kfti.knc.ru/pribor2018/ .

 

_________________________________

Внимание!

С апреля 2006 г. ПерсТ выпускается только в электронном формате и представлен по адресу http://perst.issp.ras.ru.
Желающие получать выпуски ПерсТа по своему электронному адресу могут сообщить его в адрес редакции  


 

Главный редактор И.Чугуева  ichugueva@yandex.ru, тел. 499 995 16 21

Научные редакторы: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин

В подготовке выпуска принимали участие: О. Алексеева, М. Маслов, А. Пятаков, З. Пятакова

Выпускающий редактор: И.Фурлетова