1. Направления научной работы на кафедре:

1. Разработка новых кристаллических и композиционных материалов

В основу данного направления положены две различные методологии создания новых материалов: кристаллическая/стеклокристаллическая и керамическая. Общность этих двух методологий состоит в том, что базой для них является нанотехнология, вместе с тем, их реализация связана с разработкой различных научно-методических подходов, специфических технологических схем, оригинальных процессов, различающихся методик и т.д. Направление включает в себя следующие работы.

Разработка новых кристаллических и стеклокристаллических лазерных сред, легированных переходными и редкоземельными ионами, обладающих широкополосной люминесценцией, а также создание на их основе перестраиваемых твердотельных лазеров и лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы.

Разработка основ синтеза прекурсоров и нанопорошков для прозрачной керамики и нанокомпозитов на основе простых и сложных оксидов, в том числе, легированных редкоземельными и 3d-ионами с целью использования в твердотельных лазерах.

Разработка новых конструкционных керамоматричных нанокомпозитов на основе бескислородных и кислородсодержащих матриц, армированных углеродными нанотрубками (вплоть до 50 об.%).

2. Влияние низкоэнергетических внешних воздействий на фазовые равновесия и процессы роста кристаллов

Данное направление включает в себя выращивание под действием низкочастотных вибраций кристаллов различными методами, физическое и математическое моделирование происходящих при этом процессов, изучение связи кристаллического совершенства с параметрами вибрационного воздействия и, в конечном итоге, имеет целью разработку новых, более совершенных, технологий выращивания кристаллов из жидкой фазы. Проводятся исследования влияния низкочастотных вибраций на изменения структуры расплава, связанные с процессами ассоциации-диссоциации в жидкой фазе. Такие изменения приводят к изменению термодинамического состояния расплава, которое частично наследуется кристаллом.

Тесно связаны с этим работами проводимые исследования в области космического материаловедения, где контролируемые низкочастотные вибрации играют роль не только активного фактора, воздействующего на рост кристалла, но они также способны демпфировать и устранять негативные воздействия остаточных микроускорений космического аппарата на технологический процесс, что открывает возможность выращивания высокосовершенных кристаллов в условиях космических станций.

3. Разработка новых кристаллических и пленочных материалов для микро- и наноэлектроники

Синтез и исследование новых материалов для приборов отображения информации (люминофоров, фотопроводников, полупроводников, диэлектриков) на основе нестехиометрических неорганических и органических химических соединений. Получение и исследование свойств высокочистых веществ с контролируемым отклонением от стехиометрии. Разработка технологий новых тонкопленочных наноразмерных структур для электролюминесцентных дисплеев на основе органических люминофоров, квантовых точек, полупроводниковых органических материалов с заданным энергетическим спектром и контролируемой подвижностью основных носителей заряда.

Научный руководитель – профессор, д.х.н. Аветисов И.Х.

4. Исследования нестехиометрических фаз химических соединений

Современные технология полупроводниковых материалов предъявляют новые сверхвысокие требования по примесной чистоте материалов. Стандартом для полупроводникового кремния стала допустимая суммарная концентрация примесей не более 10-7 г/г при объеме производства десятки тысяч тонн. Но для кристаллических полупроводниковых структур на основе неорганических и органических химических соединений, концентрация точечных дефектов структуры может определяться дефектами нестехиометрии. Концентрация таких дефектов может достигать 10-4 г/г, что существенно превышает концентрацию дефектов, формируемых примесями. На кафедре химии и технологии кристаллов на протяжении 50 лет проводятся исследования по разработке методов и исследованию нестехиометрии неорганических полупроводниковых материалов. В связи с бурным развитием органических полупроводников в последние годы начались исследования нестехиометрии координационных соединений с органическими лигандами.

В настоящее время количество фаз, для которых исследованы не только границы области гомогенности, но и ее внутренняя структура, не превышает двух десятков. Исследования, начатые проф. П. В. Ковтуненко и проф. Я. Л. Харифом, в настоящее время продолжаются под руководством проф. И. Х. Аветисова. Общее количество фаз, которые изучены в лаборатории кафедры, составляет 10 фаз, – то есть половину от всего мирового количества изученных нестехиометрических фаз. Исследования продолжаются, а их актуальность в связи с потребностью все новых материалов с уникальными свойствами, возрастает.

Научный руководитель – профессор, д.х.н. Аветисов И.Х.

5. Разработка стеклокристаллических и гибридных материалов для оптики и лазерной техники

Технология стеклокристаллических материалов позволяет объединять достоинства как стеклянных, так и монокристаллических материалов и избежать некоторых их недостатков, а также получить уникальные материалы, например, метастабильные фазы. Как стекла, такие материалы технологичны, в том числе позволяют создавать волокна, обладают большой емкостью к активирующим добавкам, изотропностью свойств по направлениям и однородностью свойств и концентраций активаторов по длине тела. Однако активирующая добавка находится в кристаллическом окружении, что позволяет увеличить интенсивность и уменьшить ширину линий люминесценции. На кафедре ведутся разработки стеклокристаллических материалов в оксидных и оксигалогенидных системах с целью получения лазерных, люминесцентных, сцинтилляционных, сегнетоэлектрических материалов, которые могут применяться в фотонике, электронике и медицине. Гибридные материалы, объединяющие органические и неорганические вещества, представляют большой интерес из-за уникальных свойств упорядоченных или разупорядочных наноразмерных частиц в матрице. Такие материалы содержат либо неорганические наночастицы в органической, матрице либо, наоборот, ансамбли органических нанокластеров в неорганической матрице. В наших работах мы получаем органо-неорганические гибридные материалы, в которых в качестве неорганических матриц используются низкоплавкие стекла, а качестве органических веществ – люминесцирующие координационные металл-комплексы. Органические люминесцентные материалы демонстрируют высокую эффективность как при оптическом возбуждении, так и при электрическом возбуждении. Однако, большинство из них крайне нестойки на воздухе и нуждаются в создании защиты. Внедрение органических материалов в прозрачную неорганическую матрицу позволяет решить проблему деградации и способствовать получению новых материалов с неизвестными свойствами, в том числе в результате химических реакций между компонентами в среде гибридного материала.

Научный руководитель – доцент, к.х.н. Петрова О.Б.

6. Синтез, облагораживание и геммологичесие исследования драгоценных камней и разработка новых технологий обработки камней

Облагораживание природных и синтетических драгоценных камней путем модифицирования поверхности (новые формы огранки) и объема (импрегнирование и термодинамическое удаление дефектов) кристаллов позволяет повысить стоимостные характеристики сырья. При этом возможно улучшение декоративности или потребительского качества ювелирных камней и материалов, прирост запасов месторождений драгоценных камней за счет перевода сырья из некондиционной в кондиционную категорию, придание индивидуальных черт синтетическим аналогам природных ювелирных камней и создание материалов с новых свойствами. Объектами облагораживания на кафедое являются природные цветные камни (ювелирные, ювелирно-поделочные, поделочные), синтетические аналоги ювелирных камней и органические материалы (жемчуг, коралл, янтарь и другие ископаемые смолы).

Научный руководитель – ассистент Ахметшин Э.А.

2. Государственные и международные проекты и гранты.

1. Государственный контракт от «21» июня 2013 г. № 14.513.11.0092 «Синтез органических компонентов и исследование механизмов формирования наноразмерных гетероструктур для новых композитных светоизлучающих устройств». Проект направлен на решение задачи по созданию нового поколения высокоэффективных светоизлучающих устройств на основе органических композитных наноматериалов, используемых в энергосберегающих осветительных устройствах и приборах отображения информации. При выполнении проекта была выполнена разработка методов синтеза и исследование новых органических и металлорганических соединений, в том числе с редкоземельными элементами и оптимизированными лигандами, для излучающих и проводящих слоев OLED-устройств. Разработка технологии новых органических композитных материалов и наноразмерных многослойных гетероструктур на основе синтезированных соединений для создания высокоэффективных полноцветных светоизлучающих устройств.

Руководитель – профессор, д.х.н. Аветисов И.Х.

2. Соглашения о предоставлении субсидии: 14.577.21.0146 «Разработка технологии высокочистого оксида молибдена (VI) для фотоники и СВЧ электроники» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы». Создание отечественной технологии, не имеющей аналогов в мире, по синтезу высокочистого оксида молибдена (VI) с контролируемым отклонением от стехиометрии как расплавной среды при выращивании высококачественных лазерных кристаллов трибората лития методом Киропулоса с повышенной долговечностью и энергетической мощностью. Производительность единичного модуля по производству высокочистого оксида молибдена (VI) составит не менее 0,5 кг/сутки. Данная производительность позволит полностью обеспечить потребности российский производителей по выращиванию кристаллов трибората лития.

Руководитель – профессор, д.х.н. Аветисов И.Х.

3. Грант РНФ № 14-19-00522 "Разработка новых конструкционных керамоматричных композитов на основе оксидов, армированных углеродными нанотрубками". Проект выполняется по двум приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Индустрия наносистем» и «Транспортные и космические системы». Целью проекта является разработка новых конструкционных высокотемпературных керамоматричных композитов на основе оксидов (в частности, корунда Al2O3, шпинели Mg2Al2O4, содержащих специальные добавки), армированных углеродными нанотрубками (до 50 об.% УНТ). Для получения композитов используются самые современные технологии, включая новый перспективный метод искрового плазменного спекания, который позволяет получать практически беспористую мелкокристаллическую керамическую матрицу с однородно распределенными в ней углеродными нанотрубками, что обеспечивает ей высокие прочностные свойства и способность эффективно передавать возникающие механические нагрузки на высокопрочные углеродные нанотрубки. Такое поведение резко повышает механические свойства керамоматричного композита.

4. Грант РНФ № 14-13-01074 «Фундаментальные исследования в области высокоэффективных светоизлучающих структур на основе органических металлокомплексов платиновой группы и гибридных органо-неорганических материалов», по приоритетному направлению деятельности Российского научногофонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельныминаучными группами». Выявление фундаментальных закономерностей получения металлокомплексов платиновой группы с высокой фазовой и примесной чистотой, принятой для материалов электронной техники. Исследования по получению на базе однофазных металлокомплексов платиновой группы и органо-неорганических гибридных материалов высокоэффективных тонкопленочных светоизлучающих структур, возбуждаемых как с помощью электрического поля (электролюминесценция - ОСИД структуры), так и с помощью других источников света (фотолюминесценция с изменением спектральных характеристик комбинированных источников освещения - белые источники света). В проекте рассматривается актуальная проблема повышения эффективности при увеличении срока службы (за счет фазовой чистоты) ОСИД структур. Поиск новых материалов для ОСИД структур на базе гибридных материалов с проведением реакций синтеза заданной органической люминесцентной фазы in situ является новым направлением в химии гибридных материалов. Также принципиальным моментом настоящего проекта являются системные исследования по получения заданных полиморфных модификаций металлокомплексных соединений.

Руководитель – профессор, д.х.н. Аветисов И.Х.

5. Грант РФФИ № 13-02-12199_офи_м «Исследование фундаментальных закономерностей направленной кристаллизации многокомпонентных расплавов, активированных вибрационным воздействием».

Проект относится к разряду так называемых ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам. Проект посвящен выявлению фундаментальных закономерностей образования и формирования структурно-совершенных кристаллов сложного химического состава при направленной кристаллизации расплавов, активированных низкочастотными вибрациями малой амплитуды при нормальной, и пониженной гравитации. В рамках данной работы проводятся многопараметрические исследования конвективных течений и теплообмена в процессах кристаллизации, направленные на изучение влияния теплофизических условий, реологии и свойств расплава, амплитудно-частотных характеристик вибрационных воздействий, а также условий гравитации на процесс кристаллизации и на структурно-чувствительные свойства кристаллов.

6. Грант РФФИ № 13-02-91377 ст_а «Экспериментальное и теоретическое исследование влияния контролируемых вибрационных течений на структурное совершенство монокристаллов, выращиваемых в условиях осевого теплового потока». Проект выполняется в рамках совместной работы с турецкими учеными из университета Богазичи в г. Стамбуле с участием отечественных специалистов из фирмы Кристалснорд, г. Александров. Проект посвящен разработке нового комбинированного метода роста кристаллов, совмещающего технику метода осевого теплового потока на фронте кристаллизации (ОТФ) с техникой аксиальных низкочастотных вибраций (АНВ). Такой подход позволяет получить в одном методе два независимых канала управления тепломассопереносом вблизи фронта кристаллизации: тепловое воздействие в рамках метода ОТФ и вибрационную активацию расплава методом АНВ. Совместное использование теплового и вибрационного воздействия позволяет выращивать с высокими скоростями крупные высококачественные монокристаллы материалов различной природы.

3. Разработки кафедры:

• Патент № 2505479 РФ. Способ получения гидроксиапатита: / Э. А. Ахметшин, Е. В. Жариков, А. М. Жибарев - Заявл. 2014-01-27; Бюлл. изобрет., 2014

• Патент № 2517146 РФ. Керамический композиционный материал и способ его получения: / П. П. Файков, К. С. Зараменских, Н. А. Попова, Н. А. Федосова, Е. В. Жариков, Э. М. Кольцова - Заявл. 2014-09-16; Бюлл. изобрет., 2014

• Заявка на патент № 2013144647 от 07.10.2013. Способ определения микровключений примесей в порошковых органических люминофорах / Хомяков А.В., Аветисов Р.И., Аветисов И.Х., Чередниченко А.Г.

4. Награды

• Диплом в номинации «Подарочные изделия и художественное оружие» выдан Ахметшину Э.А. за огранку камня «Утренняя роса». Московская международная ювелирная и часовая выставка «ЮВЕЛИР-2006»

• Диплом конкурса «Ювелирный Олимп» в рамках выставки «Петербургский Ювелир». Диплом Ахметшину Э.А.за коллекции ограненных камней.

5. Материально-техническое обеспечение и оснащенность образовательного и научного процесса

Количество учебных/научных лабораторий: 6/9

Количество компьютерных классов (и количество рабочих мест): общее число компьютеров 21 шт.

Наличие аудиторий: 3

Наличие мультимедийной техники (проекторы и т.п.): 2 проектора

Наличие лабораторного оборудования:

На кафедре имеются установки для выращивания кристаллов, в том числе уникальные, высокотемпературные печи, вакуумные установки для напыления пленок, ультразвуковые генераторы, шлифовальные и полировальные станки.

Аналитическое оборудование:

1. Лаборатория оптической микроскопии, оснащенная поляризационными микроскопами МИН-8, металлографическими микроскопами, интерференционными микроскопами МИИ-4, микротверомерами ПМТ-3, полярископом ПКС-500, рефрактометрами.

2. Лаборатория электрических и магнитных измерений, оснащенная LCR-метрами, позволяющими измерять электрические характеристики в том числе и при высоких температурах, Oм-метрами, ферроографом, люксометром, установкой для исследования спектров термостимулированной люминесценции.

3. Спектрофотометр UNICO 2800 (UV/VIS) с диапазоном измерений 190-1100 нм, позволяющий исследовать поглощение, как в твердых, так и жидких средах с разрешением 0,1 нм.

4. Спектрометр QE65000 (Ocean Optics), позволяющий исследовать спектры комбинационного рассеяния света и спектры люминесценции в диапазоне от 782 до 939.9 нм. В качестве источника возбуждения могут быть использованы лазерные диоды 785 или 975 нм.

5. ИК Фурье спектрофотометр Tensor 27 Bruker, позволяющий измерять оптические спектры пропускания и отражения в ИК-диапазоне, определять концентрации различных органических и неорганических веществ в твердой и жидких фазах. Спектральный диапазон 7,500 – 370 см-1, разрешение, см-1.

6. Электронный микроскоп VEGA с рентгенофлуоресцентным анализатором Oxford Instruments (Tescan).

7. Анализатор гранулометрического состава Analizitte-22 NanoTec (Fritsch GmbH).

Микрофотографии кристалликов органических электролюминофоров, светящиеся под действием УФ света

Эмблема кафедры химии и технологии кристаллов в виде кристалла изумруда

Микрофотографии кристалликов двух модификаций электролюминофоров, светящихся зеленым и желто-зеленым под действием УФ света

Микрофотография кристалла органического электролюминофора (металокомплекса три(8-оксихинолята) алюминия)

Стекла и стеклокристаллические материалы, легированные различными редкоземельными и переходными элементами

Кристалл, выращенный с применением техники аксиальных низкочастотных вибраций (АНВ)