Ученые Университета ИТМО вместе с коллегами из Германии и Франции проведут исследования свойств нановискеров на базе European XFEL

Ученые Университета ИТМО выиграли заявку на проведение эксперимента на установке XFEL — самом крупном в мире лазере на свободных электронах, предназначенном для наблюдения за ходом химических реакций. Реализуемый совместно с учеными из Германии и Франции проект стал первым на European XFEL, где научное руководство осуществляется исследовательской группой из России. Он посвящен изучению нановискеров с высоким пространственным и энергетическим разрешением электронной структуры и атомного строения. Среди потенциальных применений нановискеров, или нитевидных нанокристаллов, — различные области электроники и медицины. О деталях и перспективах исследований — в нашем материале.

Лазер XFEL. Источник: rg.ru

Об XFEL

European XFEL — это международный проект по созданию самого крупного в мире лазера на свободных электронах, предназначенного для наблюдения за ходом химических реакций. Проект разработан исследовательским центром DESY и представлен в 2002 году. Строительство продолжалось до 2017 года, в нем принимали участие 12 стран (основные участники — Германия и Россия, которые профинансировали проект на 58% и 27% соответственно). Официальное открытие европейского рентгеновского лазера на свободных электронах состоялось 1 сентября 2017 года в Гамбурге.

Лазерная установка длиной более трех километров расположена в Германии на глубине от 6 до 38 метров под землей: от лаборатории DESY в Гамбурге до окраины Шенефельда, где на территории 15 га построены административные здания, экспериментальные станции и лаборатории.

На торжественной церемонии по случаю открытия XFEL были запущены первые два эксперимента, в которых рентгеновское излучение на свободных электронах будет играть важнейшую роль. Так, с помощью первого ученые показали, как можно изучать быстрые реакции, в частности, взаимодействие определенных молекул в водной среде. Второй эксперимент нацелен на расшифровку структуру молекулы.

Церемония открытия европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL. Источник: rg.ru
Церемония открытия европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL. Источник: rg.ru

Работа российских ученых на установке осуществляется под эгидой национальной научно-образовательной ассоциации «Исследовательские установки мега-класса», которая координируется Национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Университет ИТМО является участником ассоциации. Главная задача ассоциации — готовить проекты для их реализации на XFEL и других мегаустановках.

Кроме того, еще в 2015 году в Университете ИТМО было организовано новое подразделение — Транснациональный научно-образовательный UniFEL-центр перспективных методов исследования материалов. Для этого между Университетом ИТМО и Техническим университетом Фрайберга (TU Bergakademie Freiberg) было заключено соглашение о сотрудничестве. Российские и немецкие ученые будут совместно готовить материалы для дальнейших экспериментов на XFEL, а также разрабатывать совместные образовательные магистерские и аспирантские программы.

Совместный проект ученых из России и Франции

Как отмечает Алексей Романов, заведующий кафедрой современных функциональных материалов Университета ИТМО и соруководитель UniFEL-центра, в июне прошлого года на базе установки European XFEL в Гамбурге было проведено совещание, участники которого обсудили проведение совместных научно-исследовательских работ с Центром нанофизики и нанотехнологий в Париже (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Site de Marcoussis, CNRS/Université Paris-Sud), который представляет профессор Жан-Кристоф Арманд (Jean-Christophe Harmand). В обсуждении также приняли участие профессор Сергей Молодцов, руководитель Транснационального научно-образовательного UniFEL-центра перспективных методов исследования материалов, Владислав Бугров, директор мегафакультета фотоники Университета ИТМО и Владимир Дубровский, профессор кафедры современных функциональных материалов Университета ИТМО.

Алексей Романов
Алексей Романов

Целью этих исследований является изучение нановискеров, или нитевидных нанокристаллов — наноматериалов с высоким пространственным, энергетическим и временным разрешением электронной структуры и атомного строения. Это новый класс материалов, который интенсивно исследуется в последнее время. Среди потенциальных применений нитевидных нанокристаллов — различные области электроники и медицины. В частности, уже были предприняты многочисленные попытки продемонстрировать возможности использования таких наноматериалов в области фотовольтаики, для создания солнечных элементов. Кроме этого, нитевидные нанокристаллы могут быть использованы для создания различных электронных устройств, например p-n переходов и транзисторов.

«Нановискер представляет собой разновидность нитевидного кристалла (вискера) с диаметром поперечного сечения от 1 до 100 нанометров и отношением длины к диаметру больше 100.  В результате тесной научной кооперации российских и французских ученых была разработана технология эпитаксиального роста однородного массива кристаллических нановискеров на основе полупроводниковых соединений А3В5. Данная технология позволяет изменять элементный состав как по радиусу, так и  вдоль оси нановискера, создавая таким образом уникальные по своим электронным и механическим свойствам  наногетероструктуры», — комментирует Алексей Романов.

Однако чтобы эффективно управлять свойствами нановискеров, ученым необходимо провести изучение их кристаллической структуры, электронных, оптических и механических свойств. Возможности для проведения исследований подобных уникальных объектов и открывает Европейская установка XFEL, построенная с участием Российской Федерации (координатором проекта выступает Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»). В частности, использование рентгеновского лазера на свободных электронах, в котором реализуется высокая плотность возбуждения и короткая длительность импульса, открывает принципиально новые возможности для анализа структуры и электронного спектра нанообъектов с атомным разрешением, а также для изучения динамических процессов в объеме и на поверхности наночастиц с высоким временным разрешением, уточняет Алексей Романов. Кроме того, высокая мощность источника рентгеновского излучения позволяет изучать динамику процессов в зависимости от энергии рентгеновского кванта.

Нанокристаллы
Нанокристаллы

Как будут проходить исследования на базе XFEL

Накануне ученые из Университета ИТМО выиграли заявку на проведение исследований кристаллической структуры и состава нановискеров и нановискерных гетероструктур на базе XFEL. Стоит отметить, что для проведения соответствующих работ необходимо подать заявку на сайте проекта, где должна быть обоснована актуальность проводимых исследований с описанием научных результатов, которые планируется получить. Кроме того, важно показать, что коллектив обладает достаточным опытом и научным заделом, необходимым для реализации проекта.

Подготовка международного проекта началась по инициативе UniFEL-центра Университета ИТМО в ноябре 2017 года. Руководителем проекта, посвященного изучению сверхбыстрых динамических процессов, кристаллической структуры и состава нановискеров и нановискерных гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5, является профессор кафедры современных функциональных материалов Университета ИТМО Владимир Дубровский.

«Этот проект прошел колоссально трудный конкурсный отбор и получил поддержку на проведение исследований в октябре 2018 года. Всего на требуемую установку было подано 43 проекта лучшими группами всего мира и только шесть из них получили время для экспериментов. Это первый проект на European XFEL, где научное руководство осуществляется группой из России», — подчеркивает Алексей Романов, заведующий кафедрой современных функциональных материалов Университета ИТМО, соруководитель UniFEL-центра.

Визит ученых Университета ИТМО на установку XFEL
Визит ученых Университета ИТМО на установку XFEL

Он добавляет, что исследования будут проводиться на структурах с нановискерами на основе соединения InAs и  нановискерных гетероструктурах на основе соединений GaAs/AlGaAs. С помощью мощных и коротких импульсов рентгеновского и оптического излучения будет изучаться динамика кристаллической решетки массива  однородных нановискеров. Эти данные будут использованы для  получения новых данных о механических и оптических свойствах нановискеров и их связи с кристаллической структурой.

Помимо ученых Университета ИТМО, в проекте примут участие исследователи из Университета Париж-юг XI (Université Paris-Sud XI) — французского государственного университета, специализирующегося на точных науках, Лаборатории фотоники и наноструктур, CNRS, Marcoussis (Франция), а также представители консорциума European XFEL GmbH.