Організаційна структура
ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ НАНУ.
Назад

ІСТОРІЯ І НАУКОВА ДІЯЛЬНІСТЬ

У 1957 р. в Інституті був організований відділ електронної структури та електронних властивостей. Його першим керівником був чл.-кор. АН УРСР України А. Г. Лєсник. З 1958 по 1982 р. відділ очолював заслужений діяч науки і техніки УРСР, лауреат Державної премії УРСР в галузі науки і техніки, д.т.н., проф. І. Я. Дехтяр.

У 1982 р. відділ був перетворений в лабораторію з однойменною назвою. Лабораторія входила до складу відділу спектроскопії твердого тіла, керував лабораторією до 1989 р. к.ф.-м.н. В.І.Силантьєв. З 1989 р. і до 1995 року співробітники лабораторії працювали у складі відділу фізики плівок. З 1995 року лабораторією, а з 1996 року по теперішній час відділом електронної структури та електронних властивостей завідує д.ф.-м.н., проф. М. М. Нищенко.

Ранні роботи відділу були присвячені вивченню залежності електричних і магнітних властивостей металів від структурних недосконалостей. Показано, що зміна форми і магнітних властивостей металів при циклічній обробці визначаються утворенням і взаємодією дефектів кристалічної решітки (І. Я. Дехтяр, Е. Г. Мадатова), з'ясовано особливості впливу дефектів на електричні властивості сплавів перехідних металів (І. Я. Дехтяр, С. Г. Сахарова) і утворення локалізованих магнітних моментів в парамагнетиках (І. Я. Дехтяр, Р. Г. Федченко), досліджено вплив структурних факторів на властивості феромагнетиків (І.Я. Дехтяр, В. В. Полотнюк).

Період 1957–1980 років ознаменувався інтенсивними дослідженнями в галузі фізики радіаційних пошкоджень з метою створення радіаційно-стійких матеріалів для ядерної енергетики та використання в космосі. Вивчено вплив гамма-квантів на ступінь далекого порядку при кімнатних температурах в сплавах, що упорядковуються. Виявлена ​​і вивчена радіаційно-стимульована дифузія в гетерогенних системах під дією гамма-випромінювання і нейтронів, побудована її модель, що враховує збільшення концентрації вакансій, порогові енергії зміщень і іонізацію атомів (І. Я. Дехтяр, А. М. Шалаєв).

У 1964 р. при вивченні електронно-позитронної анігіляції в нікелі і його сплавах вперше виявлено ефект взаємодії позитронів з дефектами в матеріалах (І. Я. Дехтяр, В. С. Михаленков, Д. А. Левіна, С. Г. Сахарова). Розкриттю його фізичної сутності присвячені наступні роботи І. Я. Дехтяр, Е. Г. Мадатової, В.С. Міхаленкова, С.Г. Сахарової і Р.Г. Федченко. У них було закладено основи розвитку нового напрямку — вивчення електронної структури дефектів. Вперше вивчена форма поверхні Фермі металів при кімнатній температурі за допомогою позитронів і тим самим підтверджена плідність ідеї експерименту, запропонованої А.А. Смірновим і М.О. Кривоглазом. Вивчено еволюцію дефектів у твердих тілах при дії зовнішніх чинників (деформації, опромінення, термообробки та ін.), встановлено ​​анізотропію електронних характеристик дефектів. Виявлено виникнення вакансійних скупчень при деформації металів і показана роль домішок у цьому процесі (В. С. Михаленков).

З 1980 року метод позитронної анігіляції був застосований для вивчення природи аморфного стану — встановлений електронний критерій аморфізації, який отримав експериментальне обґрунтування. Один з факторів — це локалізація позитронів в дефектах типу вільного об'єму (дірки Бернала), розмір яких виявився трохи нижче розміру вакансії в кристалах, а іншого — збільшення ефективного розміру електронної оболонки іонного остову, який захоплює позитрон. Перший фактор — структурний, пов'язаний із збільшенням поверхневої енергії через наявність пустот, а другий — електронний — компенсує перший шляхом зменшення електронної енергії (Фермі), що стабілізує аморфний стан речовини при кімнатних температурах. Було також встановлено, що структурна релаксація в аморфних сплавах при нагріванні супроводжується відпалом дефектів типу вільного об'єму, а початкова стадія кристалізації, навпаки, характеризується інтенсивним дефектоутворенням (І.Я. Дехтяр, Е.Г. Мадатова, М.М. Нищенко, С. П. Ліхторович).

З 1963 року у відділі розроблялися матеріали для електродів автономних джерел струму великої потужності — цезієвих прямих термоемісійних перетворювачів теплової енергії ядерного палива в електричну (ТЕП) на основі тугоплавких сплавів, призначених для бортового живлення космічних станцій. Завдяки комплексному вивченню фізичних властивостей поверхні і об'єму були розроблені і випробувані робочі зразки електродів з високою енергією адсорбції цезію і низькою роботою виходу. Під керівництвом І.Я. Дехтяр наукові співробітники В. І. Силантьєв, Н. А. Шевченко, В. І. Патока, Л. Ф. Дубиковський розробили і експериментально реалізували принципи оптимального легування для поліпшення адсорбційної взаємодії поверхні тугоплавких металів з цезієм, що дозволило досягти рекордних на той час експлуатаційних характеристик. При цьому було з'ясовано, що в результаті сегрегації з об’єму вуглець формує при 2400 К на грані (110) W і Мо моношар (графен) з вакуумною роботою виходу φ = 5,08 і 4,82 еВ відповідно. При більш високих температурах він видаляється з поверхні, яка очищається до атомарно-чистої з підвищенням φ до 5,30 еВ і 5,00 еВ для W і Мо відповідно. Ці результати виявилися принципово важливими для підвищення ефективності роботи ТЕП: графен на грані (110) W, що є колектором, пасивує її і перешкоджає адсорбції залишкових газів, знижує коефіцієнт пружного відбиття електронів від 45 до 13% і при адсорбції цезію мінімальне значення φ знижується до 1,32 еВ. Пізніше було встановлено, що енергії максимумів у спектрах відбитих електронів від атомарно-чистих граней і після формування графена на них пропорційні квадрату порядкового номера піку і описуються рівнянням розмірного квантування енергії електрона (М.М. Нищенко, М.Я. Шевченко).

Вперше (1973 р.) І.Я. Дехтяр і М.М. Нищенко встановили  ​​можливість використання лазерного випромінювання для створення надпровідників з високими критичними параметрами. Згодом цей спосіб обробки отримав широке розповсюдження в країні і за кордоном при виготовленні як металевих, так і керамічних надпровідників. Отримані за допомогою ефекту Месбауера результати дозволили розвинути фізичні уявлення про кінетику і механізм формування метастабільних кристалічних і аморфних фаз при лазерному впливі і про механізми впливу на електронні властивості. Розроблено фізичну модель цих процесів, яка базується на конкуренції швидкостей фронту твердіння і дифузії атомів в рідині і показано, що кінетика утворення фаз визначається міжатомною взаємодією (М. М. Нищенко). Такий підхід дозволив отримати при лазерному легуванні на поверхні кремнію епітаксіальні шари α - дисилицида заліза, в якому концентрація нестехіометричних вакансій задається режимами опромінення. Зниження їх концентрації збільшує ширину забороненої зони α-фази і переводить з рівноважного металевого в нерівноважний напівпровідниковий стан (М. М. Нищенко, С. П. Ліхторович і Р.Г. Федченко).

З 1998 року у відділі були розпочаті роботи з вивчення наноструктурних матеріалів і систем. Спочатку це були фулерени і тригліцериди жирних кислот, в яких були виявлені нанопори з внутрішнім діаметром (0,35-0,36 нм), рівним зовнішньому діаметру фулерену С60 (0,355 нм). При введенні останніх у нанопори він стабілізував структуру і підвищив стійкість продукту до руйнування при кімнатних температурах. Надалі роботи були присвячені вивченню внутрішньої структури багатошарових вуглецевих нанотрубок (ВНТ): встановлено закономірності анігіляції позитронів з електронами провідності, локалізованими π-електронами в міжшарових проміжках і ковалентними σ-електронами в області дефектів будови гексагонального шару, отримано інформація про відносну концентрації вільних електронів і дефектів, їх електронній структурі. Встановлено взаємозв'язки між цими параметрами, наприклад, в ВНТ з крайовими дислокаціями радіус локалізації хвильової функції π-електронів між шарами збільшується майже вдвічі, що призводить до зростання концентрації вільних електронів і збільшенню на порядок поперечної електропровідності (М.М. Нищенко, Е.А. Цапко , В.Ю. Кода, І.Є. Галстян).

Беручи до уваги, що застосування ВНТ на практиці передбачає розвиток технологій їх консолідування, було з'ясовано, що властивості одиночної і компактованих нанотрубок відрізняються через тяжіння останніх між собою. Якщо для ізольованої нанотрубки електропровідність реалізується тільки уздовж її осі, то для упорядкованого масиву нанотрубок вона можлива і в поперечному напрямку за умови їх стиснення в цьому ж напрямку. У результаті відбувається перехід в металевий стан (Д-М)  і фіксується стрибок електропровідності на 6-10 порядків при кімнатній температурі, при цьому щільність масиву ВНТ, при якій відбувається перехід Д-М, із збільшенням дефектності нанотрубок знижується. При подальшому розвантаженню встановлено наявність зворотнього  релаксаційного (М-Д) переходу. Висока його крутизна необхідна для створення надчутливих сенсорів деформації для сейсмічного та промислового контролю, систем інерціальної навігації. Механізм впливу деформації на електропровідність масиву ВНТ зв'язується з локальними змінами електронної структури і характеру переносу носіїв заряду в точках торкання нанотрубок, які є нанорозмірними вентилями з надзвичайно низьким поперечним модулем Юнга (<1 ГПа) і високою чутливістю до деформацій. Перехід М-Д в масиві ВНТ має перспективу застосування за умови мінімізації непружних взаємодій (М.М. Нищенко, Г.Ю. Михайлова, В.Ю. Кода).

Встановлено, що в багатошарових ВНТ з крайовими дислокаціями максимальна радіальна електропровідність збільшується на порядок за рахунок відкриття каналів провідності в області дислокацій для носіїв заряду, які знаходяться всередині ВНТ. Це призводить до появи двоступеневого переходу (Д-М) на 3 і 4 порядків величини: перший зв'язується із збільшенням кількості та загальної площі контактів через який йде тунелювання, а другий - із зміною механізму перенесення електронів між нанотрубками: спочатку тунельний через діелектричний проміжок, потім випрямляючий перехід через енергетичний бар’єр і омічний (безбар'єрний перехід). При сильній деформації проявляються колективні квантові ефекти у вигляді осциляцій електропровідності (М. М. Нищенко, Г. Ю. Михайлова).

Для збільшення в ВНТ концентрації вільних електронів, що мають на 3 порядки більш високу рухливість, ніж у металах, вводилися добавки металевих мікрочастинок з низькою роботою виходу, що дозволило підвищити поперечну електропровідність композиту в десятки разів. Виявлений ефект пов'язується з процесами впорядкування масиву ВНТ з металевими частинками і перенесенням електронів від металу до ВНТ (М. М. Нищенко, Г. Ю. Михайлова).

При вивченні впливу електронів низької енергії (<200 еВ) на роботу виходу ПТФЕ з ВНТ виявлений максимум на нелінійної залежності роботи виходу від енергії електронів, що дозволяє вести запис і стирання інформації електронами, довжина хвилі де-Бройля, яких ~ 1 нм, що на два порядки менше довжини хвилі оптичних сучасних систем запису інформації. Дослідження композиту методом позитронної спектроскопії показало, що ВНТ є акцепторами електронів. Останні підвищують роботу виходу φ, однак при Е> 80 еВ відбувається зниження φ в результаті вторинної електрон-електронної емісії (М. М. Нищенко, Н. А. Шевченко, Є. А. Цапко, В. І. Патока).

З метою з'ясування можливостей використання ВНТ в космосі, ядерних реакторах і радіоактивних сховищах вивчені їх електропровідність і термо-ЕРС після опромінення високоенергійними (2 і 21 МеВ) електронами і гамма-квантами (1,2 МеВ) з дозою до 2∙1017 ел./ см2.  Встановлено, що як радіаційні, так і первинні (ростові) дефекти підвищують термо-ЕРС,  при цьому вплив першого на порядок більше: після радіаційного опромінення коефіцієнт Зеєбека (α) збільшується приблизно в 2 рази в результаті утворення радіаційних дефектів. Присутність первинних дефектів в ВНТ знижує ефект впливу радіації на електропровідність і дозволяє його компенсувати. Наявність мінімуму на залежності межі пружності масиву ВНТ від дози опромінення зв’язується з протіканням двох процесів: утворення радіаційних дефектів і заліковування дефектів (М. М. Нищенко, Г. Ю. Михайлова, І. М. Сидорченко, Ю. Ф. Суська, Б. Ковольчук, В. В. Анікєєв, В. І. Патока).

Застосування ВНТ як катода показало, що емісійний струм під дією концентрованого сонячного випромінювання контролюється процесами іонізації, зростанням концентрації носіїв заряду і появою просторового негативного заряду між електродами, яке створює гальмуюче поле  та вторинної іон-електронної емісії. Сформульовано фізичний принцип емісійного перетворення концентрованої сонячної енергії в електричну при температурах <600 ºС, суть якого полягає в іонізації та утворенні плазми, поділі зарядів в полі контактної різниці потенціалів, яке підсилюється  на вістрях ВНТ в катоді і нейтралізації позитивних іонів при адсорбції на останніх (М. М. Нищенко, Н. А. Шевченко, Є. А. Цапко, І. М. Сидорченко).