А.Ф. Белянин – д.т.н., профессор, начальник отдела, 

АО Центральный научно-исследовательский институт «Техномаш» (Москва)

E-mail: belyanin@cnititm.ru

А.С. Багдасарян − академик АН Республики Армения, д.т.н., профессор, гл. науч. сотрудник, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Москва) E-mail: bas@niir.ru

С.А. Багдасарян – к.т.н., генеральный директор,

ООО «НПП «ТРИиС» (Москва) 

E -mail: bagdassarian@mail.ru

С.А. Налимов – ст. науч. сотрудник,

АО Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Москва)  E-mail: san@cnititm.ru

Постановка проблемы. Для формирования трехмерных нанокомпозитов перспективно введение разнообразных веществ в пустоты нанометрового диапазона пористых материалов. В качестве пористого материала с упорядоченной решеткой пустот широкое распространение получили опаловые матрицы, представляющие правильную укладку одинаковых по диаметру (∆d ≈ 4–6%) шаровых частиц аморфного SiO2, диаметры которых в зависимости от условий формирования могут варьироваться в интервале 200–700 нм. Плотнейшая укладка шаровых частиц содержит упорядоченную систему сообщающихся пустот, занимающих ~26% объема матрицы. Различные вещества вводят в пустоты пористой матрицы преимущественно синтезом непосредственно в пустотах. Создание 3D-решеток кристаллитов веществ размерами 10–70 нм позволяет формировать композитные структуры с характеристиками, недостижимыми для однородных материалов.

Цель. Изучить влияние условий синтеза на кристаллизацию веществ заданного состава в пустотах опаловых матриц при взаимодействии вводимых в пустоты веществ с SiO2.

Результаты. Исследовано влияние условий получения на состав и строение нанокомпозитов на основе опаловых матриц, в структурных пустотах которых были синтезированы различные вещества. Экспериментальная часть работы выполнена с образцами опаловых матриц объемом до 1 см3 с диаметром шаровых частиц SiO2 ~260 нм (∆d ≈ 4%). Нанокомпозиты формировали многократным заполнением пустот опаловых матриц растворами солей или оксидов и выдержкой образцов при 670–720 К, после чего проводилась термическая обработка при 970–1470  К. Химические реакции и фазовые превращения в пустотах опаловых матриц зависели от условий термической обработки, а также от химических свойств промежуточных соединений, их термической устойчивости и способности к взаимодействию с SiO2. Получены упорядоченные 3D-нанокомпозиты на основе опаловых матриц, содержащие кристаллиты веществ, образующихся при взаимодействии вводимого в пустоты материала c SiO2. Фазовые превращения, включая кристаллизацию соединений различного типа в пустотах опаловых матриц, зависели от температуры и длительности термической обработки. Изменения фазовых соотношений при ограниченной геометрии пустот опаловых матриц иллюстрируется рентгеновскими дифрактограммами и спектрами комбинационного рассеяния света.  

Практическая значимость. Разработаны методы получения упорядоченных 3D-решеток нанокристаллитов с управляемыми значениями электрофизических параметров, позволит эффективно их применять в различных твердотельных устройствах. Предполагается, что подход, связанный с применением подобных нанокомпозитов – 3D-нанорешеток электрически или оптически активных нанокристаллитов, будет эффективен при разработке твердотельных устройств с уникальными характеристиками. 

1. Mıguez H., Blanco A., Lopez C., Meseguer F., Yates H.M., Pemble M.E., Lopez-Tejeira F., Garcıa-Vidal F.J., Sanchez-Dehesa J. Face centered cubic photonic bandgap materials based on opal-semiconductor composites // Journal of lightwave technology. 1999. V. 17. № 11. Р. 1975–1981.
2. Nishijima Y., Ueno K. Juodkazis S., Mizeikis V., Misawa H., Tanimura T., Maeda K. Inverse silica opal photonic crystals for optical sensing applications // Optics express. 2007. V. 15. № 20. P. 12979–12988.
3. Tuyen L.D., Wu C. Y., Anh T. K., Minh L. Q.Kan H-C., Hsu C.C. Fabrication and optical characterization of SiO2 opal and SU-8 inverse opal photoniccrystals // Journal of experimental nanoscience. 2012. V. 7. № 2. P. 198–204. 
4. Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Бовтун В. Строение и диэлектрические свойства нанокомпозитов: опаловые матрицы – оксиды титана и титанаты редкоземельных элементов // Тонкие химические технологии. 2016. Т. 11. № 2. С. 66–73.
5. Wijnhoven J., Willem L. Preparation of photonic crystals made of air spheres in titania // Science. 1998. V. 281. Р. 802–894.
6. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В. Юрин А.И., Павлюкова Е.Р. Строение, диэлектрические и магнитные свойства нанокомпозитов на основе опаловых матриц, фосфатов и ванадатов металлов // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may19/4/text.pdf.
7. Armstronga E., O’Dwyer C. Artificial opal photonic crystals and inverse opal structures – fundamentals and applications from optics to energy storage // Journal of materials chemistry C. 2015. V. 3. P. 6109–6143.
8. Sarychev A.K., Shalaev V.M. Electrodynamics of metamaterials. World Scientific and Imperial College Press, 2007. 200 p.
9. Kong J.A. Electromagnetic wave interaction with stratified negative isotropic media // Progress In Electromagnetics Research, PIER. 2002. V. 35. P. 1–52. 
10. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С. Получение и физические свойства нанокомпозитов: опаловые матрицы – мультиферроидные материалы // Наукоемкие технологии. 2017. Т. 18. № 9. С. 59–66. 
11. Rinkevich A.B., Perov D.V. Electromagnetic field inhomogeneity in artificial crystals with ferrimagnetic particles // Doklady Physics. 2018. V. 63. № 7. P. 269–271. 
12. Kimura T., Goto T., Shintani H., Ishizaka K., Amira T., Tokura Y. Magnetic control of ferroelectric polarization // Nature. 2003. V. 426. P. 55–58.
13. Hill N.A. Why are there so few magnetic ferroelectrics? // The journal of physical chemistry B. 2000. V. 104 (29). P. 6694–6709.
14. Inomata A., Kohn K. Pyroelectric effect and possible ferroelectric transition of helimagnetic GdMn2O5, TbMn2O5 and YMn2O5 // Journal of physics condensed matter. 1996. V. 8. № 15. P. 2673–2678. 
15. Perov D.V., Rinkevich A.B. Strong variation of microwave field inside opal-based artificial crystals // 11th International Congress on Engineered Material Platforms for Novel Wave Phenomena. Metamaterials. 2017. 11. 2017. Р. 289–291.
16. Белянин А.Ф., Самойлович М.И., Житковский В.Д., Пащенко П.В., Тимофеев М.А., Ковальский К.А., Клещева С.М., Борисов В.В., Петухов К.Ю. Слоистые ненакаливаемые катоды // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 8. С. 39–48.
17. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Багдасарян С.А., Борисов В.В., Павлюкова Е.Р. Рентгеновское излучение при лазерном воздействии на опаловые матрицы // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 6. С. 15. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jun19/12/text.pdf.
18. Белянин А.Ф., Борисов В.В., Багдасарян А.С. Наноструктурированные углеродные материалы в эмиссионной электронике // Российский технологический журнал. 2017. Т. 5. № 3. С. 22–40.
19. Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Гуляев Ю.В., Сергеева Н.С., Багдасарян С.А., Павлюкова Е.Р. Биосовместимые наноматериалы на основе опаловых матриц // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may19/3/text.pdf.
20. Белов Н.В. Структура ионных кристаллов и металлических фаз. М. Изд. АН СССР. 1947. 237 с. 
21. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука. 1964. 567 с.