МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
УДК 535.37
№ госрегистрации 01201057418
Инв. № 210/222-2
|
|
УТВЕРЖДАЮ
Директор НИИЯФ МГУ
профессор
______________ М.И. Панасюк
«____» __________ 2010 г.
|
ОТЧЕТ
о научно-исследовательской работе
«Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»
«2 этап. Проведение первоначальных исследований по темам НИР»
Шифр «2010-1.1-121-011-052»
Государственный контракт от «22» марта 2010 г. № 02.740.11.0546
c дополнительным соглашением от 27 июля 2010 г. №1
в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной
России» на 2009-2013г.
Научный руководитель,
доктор ф.-м. наук, профессор _______________ В.В.Михайлин
2010
Список исполнителей
Научный руководитель,
зав.отделом, зав.каф., д.ф.-м.н., профессор
|
_______________________
подпись, дата
|
Михайлин Виталий Васильевич
(Введение – постановка задачи, заключение – обобщение результатов, все разделы – постановка задачи и участие в обсуждении)
|
Исполнители:
|
|
|
студент
|
_______________________
подпись, дата
|
Антошков Андрей Анатольевич
(разделы 6, 9– участие в измерениях)
|
Выпускник аспирантуры
|
_______________________
|
Богатырев Илья Борисович (раздел 2 – анализ результатов)
|
н.с.
|
_______________________
подпись, дата
|
Бежанов Виталий Анатольевич
(разделы 4,8, 10 – участие в измерениях)
|
вед.н.с., д.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Васильев Андрей Николаевич
(разделы 2, 3 – постановка задачи, обобщение и анализ результатов)
|
ст.н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Герасимова Василиса Игоревна
(раздел 6 – постановка задачи, анализ и обобщение результатов, разделы 6, 9 – анализ и обобщение результатов)
|
н.с.
|
_______________________
подпись, дата
|
Заворотный Юрий Станиславович
(разделы 6, 7, 8, 9 10 – участие в измерениях, участие в обсуждении)
|
студент
|
_______________________
подпись, дата
|
Илюхин Сергей Сергеевич
(разделы 6, 7, 8 – участие в измерениях)
|
доцент, к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Каменских Ирина Александровна
(раздел 1 – постановка задачи, анализ и обобщение результатов, раздел 3 – участие в обсуждении, раздел 4 – участие в измерениях)
|
зав. лаб., проф.,
д.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Каск Николай Евгеньевич
(раздел 5 – постановка задачи, анализ и обобщение результатов)
|
аспирант
|
_______________________
подпись, дата
|
Киркин Роман Владимирович
(разделы 2, 3 – обработка данных)
|
ст.н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Колобанов Виталий Николаевич
(раздел 4 – участие в измерениях)
|
студент
|
_______________________
подпись, дата
|
Крылов Михаил Васильевич
(разделы 2, 3 –обработка данных)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Лексина Елена Георгиевна
(раздел 5 – участие в измерениях, анализ литературных данных)
|
студент
|
_______________________
подпись, дата
|
Лёвушкина Виктория Сергеевна
(раздел 4 – участие в измерениях)
|
мл.н.с.
|
_______________________
подпись, дата
|
Марков Игорь Александрович
(разделы 2, 3 – анализ данных, подготовка материала)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Мичурин Сергей Владимирович
(раздел 5 –проведение измерений)
|
ст.н.с., к.ф.-м.н., ст.н.с.
|
_______________________
подпись, дата
|
Рыбалтовский Алексей Ольгердович
(разделы 7, 8, 10 – постановка задачи, анализ результатов, подготовка отчета)
|
аспирант
|
_______________________
подпись, дата
|
Савон Александр Евгеньевич
(разделы 3, 4 – участие в измерениях)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Спасский Дмитрий Андреевич
(раздел 4 – постановка задачи, анализ и обобщение результатов, проведение измерений)
|
гл. специалист,
к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Сусов Александр Михайлович
(введение, заключение, подготовка текста отчета , разделы 6, 7, 10 – обобщение и анализ результатов)
|
студент
|
_______________________
подпись, дата
|
Усенко Сергей Алексеевич
(раздел 4 – участие в измерениях)
|
ст.н.с., к.ф.-м.н., ст.н.с.
|
_______________________
подпись, дата
|
Фёдоров Геннадий Михайлович
(разделы 5, 8, 9 – участие в измерениях, анализ результатов)
|
н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Чекина Светлана Николаевна
(разделы 6, 7, 8 – участие в измерениях)
|
аспирант
|
_______________________
подпись, дата
|
Чугунова Марина Михайловна
(раздел 1 – анализ данных, подготовка материала)
|
мл.н.с., к.ф.-м.н.
|
_______________________
подпись, дата
|
Шапочкин Григорий Михайлович
(разделы 3, 4 – участие в измерениях, анализ результатов)
|
стажер
|
_______________________
подпись, дата
|
Яковлев Вадим Гаврилович
(раздел 4 – участие в измерениях)
|
нормоконтролер
|
_______________________
подпись, дата
|
Михайлова Лидия Алексеевна
(проверка отчета)
|
Изменения в составе коллектива исполнителей НИР за отчетный период (второй этап 2010 года):
Приняты в состав исполнителей контракта (по сравнению с 1 этапом):
Левушкина В.С. (студент), дата рождения 18.11.1989
Крылов М.В. (студент), дата рождения 21.10.1986
Усенко С.А. (студент), дата раждения 28.02.1988
Чекина С.Н. (н.с., к.ф.-м.н.), дата раждения 20.02.1977
РЕФЕРАТ
Отчет 128 с., 10 разделов, 54 подраздела, 54 рис., 7 табл., список литературы из 155 наименований.
Ключевые слова: люминесценция, сцинтилляторы, наноструктурированные материалы, взаимодействие излучения с веществом, лазерная абляция, сенсоры.
Объект исследования – сцинтилляторы, преобразователи ионизирующего излучения, диэлектрические кристаллы, наноструктурированные системы, полимерные материалы с металлоорганическими соединениями, металлические наночастицы, лазерная плазма.
Цель работы
Целью выполнения НИР является проведение исследований взаимодействия синхротронного и лазерного излучения с новыми кристаллическими, аморфными и наноструктурированными материалами по следующим направлениям:
Исследование процессов передачи энергии в сцинтилляторах, используемым в составе детекторов для позитрон-эмиссионной томографии и регистрации новых физических явлений, в частности, иттербий-содержащих сцинтилляторов с люминесценцией из состояний с переносом заряда;
Определение особенностей процессов преобразования энергии ионизирующего излучения (частиц) в световое излучение в оксидных ионно-ковалентных диэлектрических кристаллах молибдатов, которые являются новыми материалами для создания криогенных фонон - сцинтилляционных детекторов редких событий;
Разработка методов управления физико-химическими свойствами прозрачных полимерных материалов путем их модификации с помощью метода сверхкритической флюидной импрегнации и последующего УФ облучения;
Проведение исследований механизмов формирования металлических наночастиц с определёнными параметрами, а также периодических структур из них, в прозрачных диэлектриках, которые могут найти применение при создании сенсорных и других устройств для медицины и биологии;
Построение теории, объясняющей непропорциональность выхода люминесценции сцинтилляторов, и определение связи особенностей электронной структуры с предельным энергетическим разрешением сцинтилляторов;
Исследование процессов при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения в области от ИК до мягкого рентгена с диэлектрическими кристаллами;
Исследование перколяционного механизма формирования наноматериалов при лазерной абляции многокомпонентных мишеней, определение параметров полученных структур и исследование их оптических, транспортных и других физических свойств, с целью направленного изменения параметров и свойств получаемых наноматериалов, разработки методик их исследования и практического применения.
Выполнение НИР должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов.
Методология проведения работы – применение спектроскопических и люминесцентных методов исследования с временным разрешением, спектроскопия с использованием синхротронного излучения, теория кинетических явлений, моделирование методом Монте-Карло, применение лазерного воздействия на вещество, импрегнация полимеров
Результаты работы.
Показано влияние размера наночастиц Y2O3-Yb в диапазоне диаметров от 13 до 60 нм на экситонную люминесценцию и люминесценцию с переносом заряда.
На примере сцинтиллятора CdWO4 показано, что при достижении высоких плотностей возбуждения происходит существенное изменение люминесценции сцинтилляторов, проявляющееся как в кинетике свечения, так и в ее интенсивности.
Проведен анализ различных подходов к описанию кривых непропорциональности сцинтилляционного отклика для сцинтилляторов с различным типом переноса энергии к центрам свечения. Показано, что модель, описывающая кинетику концентраций возбуждений в области трека, качественно воспроизводит все особенности экспериментальных кривых непропорциональности.
Проведено комплексное исследование спектральных и кинетических свойств широкого ряда кристаллов на основе комплекса MoO4, определена природа центров люминесценции в этих соединениях.
Установлено, что в условиях перколяционного перехода в плазме факела, возникающего при лазерной абляции, эффективность формирования фрактальных наноматериалов значительно увеличивается. Разработаны методики изготовления фрактальных наноструктур при воздействии на композитные мишени по моделям двухмерной и трёхмерной перколяции. Получены макроскопические структуры из связанных между собой нанокластеров. Разработана методика для определения области локализации сборки структур.
Изучена лучевая стойкость слоев фрактальных наноструктур к воздействию лазерного излучения с точки зрения их дальнейшего прикладного использования.
Установлено, что СКФ импрегнация молекул Ag(hfac)COD в матрицы пористого кремнезема приводит не только к образованию НЧ Ag, но и к появлению другого, кроме одновалентного, - двухвалентного состояния серебра, и концентрация таких центров может достигать до 1017см-3.
Изучен процесс образования наночастиц серебра при СКФ импрегнации стекла Vycor и синтетических опаловых матриц прекурсорами серебра.
Установлено, что процесс импрегнации b-дикетонатов европия идет наиболее эффективно в полимерных пленках на основе композитов, причем с наименьшим процентным содержанием фотоинициатора.
Показана возможность получения нанокомпозитного материала на основе ФАП, импрегнированного с помощью СКФ технологии молекулами Ag(hfac)COD. Изучены особенности формирования НЧ Ag в таких полимерах под воздействием непрерывного лазерного излучения видимого диапазона длин волн.
Все перечисленные выше результаты работ сопоставимы с аналогичными работами, определяющими мировой уровень исследований.
Результаты работы использованы в образовательном процессе в курсах лекций, читаемых на физическом факультете МГУ, при подготовке дипломных работ и кандидатских диссертаций.
По результатам работы опубликовано 3 работы в высокорейтинговых журналах, сделано 5 докладов на международных конференциях и 1 доклад на российских конференциях.
Содержание
Обозначения и сокращения 11
Введение 12
1. Спектрально-кинетические исследования люминесценции с переносом заряда в мелкодисперсных системах с нанометровыми размерами кристаллитов 14
1.1. Введение 14
1.2. Условия приготовления образцов и проведения экспериментов 15
1.3 Инфракрасная люминесценция 17
1.4 Спектры возбуждения 19
1.5 Кинетика люминесценции 21
1.6 Спектры люминесценции 22
1.7 Выводы 23
2 Исследование процессов взаимодействия элементарных возбуждений при интенсивном фемтосекундном возбуждении диэлектрических кристаллов в области фундаментального поглощения 24
2.1 Введение 24
2.2 Исследуемая система 25
2.3 Экспериментальные результаты 25
2.4 Модель диполь-дипольного самовоздействия при неоднородном распределении возбуждений 27
2.5 Выводы 32
3 Проведение сравнительного анализа феноменологических моделей, объясняющих непропорциональность энергетического выхода сцинтилляторов 34
3.1 Введение 34
3.2 Распределение возбуждений в области трека 35
3.3 Анализ решений для различных моделей. Точное решение для упрощенной двухканальной модели 39
3.4 Выводы 44
4 Проведение комплекса спектроскопических исследований с целью выяснения природы центров собственной люминесценции в различных молибдатах 45
4.1 Введение 45
4.2 Спектры люминесценции молибдатов со структурным типом шеелита 46
4.3 Относительная интенсивность люминесценции молибдатов со структурным типом шеелита. 52
4.4 Спектры люминесценции монокристаллов молибдатов с легкими катионами 54
4.5 Относительная интенсивность люминесценции молибдатов с легкими катионами 63
4.6 Выводы 64
5 Разработка методов изготовления фрактальных наноматериалов при лазерной абляции многокомпонентных мишеней в условиях перколяционного перехода в плазме факела 65
5.1 Введение 65
5.2 Экспериментальная установка и методики 66
5.3 Разработка методов изучения «горячих» кластеров при перколяционном переходе в лазерном факеле 68
5.3.1 Влияние «горячих» кластеров на зависимость дискретного спектра от расстояния до поверхности мишени 69
5.3.2 Влияние «горячих» кластеров на зависимость дискретного спектра от начального давления буферного газа 72
5.3.3 Влияние «горячих» кластеров на сдвиг спектральных линий буферного газа 74
5.4 Методика изготовления фрактальных наноматериалов при лазерной абляции в условиях перколяционного перехода в плазме факела 76
5.4.1 Макрофракталы 76
5.4.2 Влияние дисперсной фазы на форму лазерного факела 77
5.5 Изучение лучевой стойкости конечного материала к воздействию лазерного излучения с точки зрения их дальнейшего прикладного использования 78
5.6 Спектры поглощения фрактальных наноструктур, образованных при лазерной абляции композитных мишеней 81
5.7 Выводы 82
6 Изучение стойкости конечного материала к внешним воздействиям (влажность, температура, УФ облучение) с точки зрения их дальнейшего прикладного использования 84
6.1 Введение 84
6.2 Изучение стойкости конечного материала к внешним воздействиям (влажность, температура) 85
6.3 Наноразмерный порошок «ФОРУМ» как дополнительная защита от влияния окружающей среды 87
6.4 Фоточувствительность ФАП, легированных b-дикетонатами европия 87
6.5 Выводы 88
7 Проведение сравнительных исследований процессов СКФ импрегнации металлоорганических соединений (МОС) меди и серебра в нанопористые матрицы искусственного опала и стекла Vycor 89
7.1 Экспериментальные результаты и их обсуждение 89
7.2 Выводы 90
8 Рассмотрение особенности образования НЧ серебра в каждой из этих матриц, имеющих общую химическую основу, но существенно разный размер пор 92
8.1 Экспериментальные результаты 92
8.2 Выводы 95
9 Проведение цикла спектроскопических (оптическое поглощение, ФЛ и т.д) исследований по вхождению различных МОС во фторсодержащие полимеры в зависимости от типа лиганда (fod, tta), а также от композиции самой матрицы (химическая структура моно- и бифункционалов, их % содержание) 97
9.1 Введение 97
9.2 Влияние композиции матрицы (химическая структура моно- и бифункционалов, их % содержание) на вхождение различных МОС во фторсодержащие полимеры с помощью СКФ технологии 98
9.3 Выводы 100
10 Проведение исследования механизмов образования наночастиц (НЧ) серебра в процессе сверхкритической флюидной (СКФ) импрегнации, так и после неё, при термо- и фотообработке образцов сшитого олигоуретанметакрилата (ОУМ) и фторсодержащих акрилатных полимеров (ФАП) методами абсорбционной спектроскопии и электронной микроскопии 102
10.1 НЧ серебра в матрице ОУМ 102
10.1.1 Экспериментальные методики и образцы 102
10.1.2 Результаты и их обсуждение. 103
10.1.3 Выводы 106
10.2 НЧ серебра в матрице ФАП 107
10.2.1 Изготовление образцов и методы проведения эксперимента 107
10.2.2 Спектры поглощения и электронная микроскопия легированных пленок ФАП 108
10.2.3 Выводы 114
Заключение 115
Литература 120
|
