small isc logo

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка

Національної академії наук України
(офіційний сайт)

Лабораторія квантової хімії та хімічної фізики наносистем

 

 

Завідувач лабораторії

Лобанов Віктор Васильович

доктор хімічних наук, професор

Телефон: + 380(44) 424 94 72
Факс: + 380(44) 424 35 67
E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

 

У лабораторії працює 12 спеціалісти, серед них 1 доктор і 7 кандидатів наук. Співробітниками підрозділу опубліковано 2 монографії, 2 підручники для вищої школи, 266 наукових статей, захищено 1 докторську та 7 кандидатських дисертацій.

 

Напрямки досліджень

Моделювання сучасними методами квантової хімії:

– властивостей молекулярних форм діоксиду силіцію – фулереноподібних молекул та нанотрубок;

– механізму утворення оксидного шару при взаємодії молекулярного кисню або води з поверхнею кристалічного силіцію;

- взаємодії поверхні кремнезему з розчинами електролітів;

– фізико-хімічних характеристик упорядкованої системи локальних дефектів графеноподібних кластерів та вуглецевих нанотрубок (ВНТ);

– аномальної дифузії адсорбованих молекул на поверхні ізольованих наночастинок та в системах на їх основі;

– механізму утворення та властивостей квантових точок германію на поверхні Si(001).

Розробка методу побудови стехіометричних моделей мінімального розміру наночастинок бінарних сполук, що зберігають ознаки кристалічності та відтворюють симетрію елементарних комірок відповідних твердих тіл.

Структурна модифікація нанорозмірних багатошарових систем оптимізацією параметрів епітаксійного росту з метою розширення впливу міжзонних переходів на фоточутливість та фотоперетворення експерименталоно отриманих зразків.

Дослідження методами атомно-силової мікроскопії морфології епітаксійно вирощених ансамблів квантових точок германію на грані Si(001), їх електричних та оптичних властивостей.

 

Основні результати за останні роки

Розрахунки методом функціоналу густини (B3LYP, 6-31G**) засвідчили про залежність частоти, форми та інтенсивності нормальних коливань атомів, які входять до складу адсорбційних комплексів молекули кисню на гранях Si(111) і Si(100), від хімічного оточення, що дозволило, з використанням дослідних даних, ідентифікувати низку поверхневих структур, які приводять до утворення оксидного ізолюючого шару на поверхні кристалічного силіцію.

Систематичні дослідження просторової будови та електронної структури наносистем на основі діоксиду кремнію, а саме фулереноподібних молекул складу (SiO2)N та (SiO2)N(H2O)N/2 продемонстрували стабільність структур обох типів (рис. 1). Енергія зв’язку для повністю координованих молекул (SiO2)N знаходиться в інтервалі експериментально досяжних енергій і для молекули (SiO2)60 лежить на 0,38 еВ вище розрахованого значення енергії зв’язування для β‑кристобаліту та на 0,6 еВ нижче, ніж для w-кремнезему. Базуючись на цьому, показана можливість експериментального одержання згаданих структур.

 

Рис. 1. Рівноважна структура сфероподібних молекул діоксиду кремнію (SiО2)N2O)N/2.

Розрахунки методом функціоналу густини (B3LYP, 6-31G**) засвідчили, що основний електронний стан вуглецевих нанокластерів С54 – С216 ідеальної гексагональної форми не синглетний, а відповідає вищим мультиплетам. Їхня рівноважна просторова будова така, що кон’югована система зовнішнього циклічного ланцюга становить відносно самостійну систему, яка слабко спряжена з центральною частиною кластера. Розподіл молекулярного електростатичного потенціалу для основного електронного стану розглянутих кластерів має значну анізотропію.Для спектра одноелектронних рівнів енергії характерно те, що деякі МО, розподілені по зв’язкам зовнішнього циклічного ланцюга, залишаються вакантними, хоча відповідні їм енергії виявляються нижчими енергії фрон-тальних зайнятих МО. Магнітний момент кластерів, які мають лише зиґзаґоподібні краї, визначається наявністю в них двокоординованих атомів вуглецю із сильно локалізованими на них електронними станами.

Розрахунки енергій з використанням рівноважної просторової структури конфігурацій, утворених при взаємному обміні атомів германію поверхневого димера =Ge–Ge= з атомами кремнію поверхневих димерів =Si–Si= грані Si(001) показали, що вони незначно відрізняються від вихідної конфігурації з чистим германієвим димером. Це служить непрямим доказом можливості дифузійного впровадження адсорбованих атомів германію у кремнієву підкладинку з одночасним виходом із неї атомів Si і утворенням змішаних поверхневих =Si–Ge= димерів.

Теоретичне відтворення зсувів ліній рентгенофотоелектронних спектрів адсорбційних комплексів в залежності від розміщення атомів Ge відносно поверхні дозволило пояснити великі енергії утворення структур Ge•Si(001), 2Ge•Si(001) та Ge2•Si(001).

Методом DFT, B3LYP, 6-31G** з’ясовано, що взаємодія диметилкарбонату (ДМК) з поверхнею кремнезему відбувається через утворення шестичленного циклічного перехідного стану із розривом силоксанового зв’язку та збільшення кількості прищеплених до поверхні метоксильних груп. Взаємодія молекули ДМК відбувається з меншим енергетичним ефектом при участі у реакції атомів кремнію, які оточені більшою кількістю силіцій-кисневих тетраедрів. Наступна атака молекули DMC відбувається на атом кремнію, що знаходиться поряд із атомом кремнію, до якого прищеплена метоксильна група.

На основі проведених розрахунків встановлено, що в сильно кислому середовищі на поверхні кремнезему ймовірне утворення катіонної форми силанольної групи за рахунок перенесення протона від іона гідроксонію до атома кисню силанольної групи. Константа депротонування катіонної форми силанольної групи залежить від природи аніона і зростає за абсолютною величиною при збільшенні його радіуса. Розглянуті моделі дають змогу розрахувати значення точки нульового заряду поверхні кремнезему, що відповідає експериментально отриманим значенням.

Розрахунки з використанням розроблених моделей гідратованих лужних сполук для молекулярного та іонного станів за участю молекул води та силанольних груп поверхні кремнезему засвідчили про, можливість депротонування силанольної групи. Обчислені величини зміни вільної енергії Гіббса використано для визначення констант іонного обміну, які збільшуються в ряду Li < Na < K, що корелює з експериментальними величинами адсорбції.

Визначено точкові групи симетрії мінімальних моделей стехіометричних наночастинок бінарних неорганічних сполук АВ, АВm та АmВm. Запропоновано класифікацію наночастинок щільноупакованих, каркасних, шаруватих, ланцюгових та острівних твердих тіл, які зберігають ознаки кристалічності і належать до неповно-, повно-, та гіпервалентних структур, за просторовою будовою, структурним та структурно-валентним типом. Виконано аналіз можливості застосування методів квантової хімії для передбачення структурної стабільності молекулярних моделей твердих тіл.

В структурах з нанокластерами (НК) Ge, які вирощені на шарі оксиду кремнію при низьких температурах, встановлено існування двох оптично індукованих усталених станів з більш високими і більш низькими значеннями поверхневої провідності, в порівнянні з рівноважним станом. Результат фотоіндукованих змін залежить від енергії фотонів із-за різних типів електронних переходів, які мають місце в Ge-НК/SiO2/Si структурах. Залишкова фотопровідность спостерігається після збудження електрон-діркових пар в Si(001) підкладинки при міжзонному поглинанні в Si (рис. 2).

Рис. 2. Спектри латеральної фотопровідності при 50 К: гетероструктур з НК Ge на поверхні SiOx (крива 1); структури з НК Ge, модифікованої осадженням Si (крива 2); структури з шаром Si товщиною 25 нм осадженим на верхній частині НК Ge (крива 3).

 

Доведено, що надлишкова провідність обумовлена просторовим розділенням носіїв струму макроскопічними полями в збідненому приповерхневому шарі Si. Міжзонні переходи в НК Ge створюють локалізовані дірки безпосередньо в Ge, що призводить до оптично індукованого просторового перерозподілу захоплених позитивних зарядів між рівнями міжфазної границі SiO2/Si і локалізованих станів НК Ge, які підвищують зміну електростатичного потенціалу в підкладинці Si і, отже, зменшення поверхневої провідності при стаціонарному фотозбудженні. Отримані результати показують, що дірка захоплена на НК Ge і міжфазними станами, має значний вплив на поверхневий транспорт в структурах Ge-НК/SiO2/Si. Встановлена можливість оптичного контролю перемикання між різними режимами системи провідності, яка може бути використана для конструкції пристроїв оптичної пам'яті (рис. 3).

 

Рис. 3. Зонна діаграма структури Ge-НК/SiO2/Si. Стрілками показані міжзонні електронні переходи в с-Si і НК Ge (а); коливання електростатичного заряду в площині поверхні р-Si підкладинки (б).

 

 

Співробітники лабораторії

Лобанов Віктор Васильович, доктор хімічних наук,

провідний науковий співробітник, тел.:+380(44) 4249472; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Варавка Олена Володимирівна, технік, тел.:+380(44) 4229660

Гребенюк Анатолій Георгійович, кандидат хімічних наук, старший науковий

співробітник, тел.:+380(44) 4229660;

e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. , Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Дем'яненко Євгеній Миколайович, кандидат хімічних наук,  науковий

співробітник, тел.:+380(44) 4229660;

e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. , Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Карпенко Оксана Сергіївна, провідний інженер,

тел.:+380(44) 4229635;

e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. , Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Козирєв Юрій Миколайович, кандидат фізико-математичних наук,

провідний науковий співробітник, тел.:+380(44) 5250930; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Кравченко Андрій Анатолійович, молодший науковий співробітник

тел.:+380(44) 4229635; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Теребінська Марія Іванівна, кандидат хімічних наук,  науковий

співробітник, тел.:+380(44) 4229632;

e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. , Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Ткачук Ольга Іванівна, провідний інженер,

тел.:+380(44) 4229635; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Філоненко Оксана В’ячеславівна, кандидат хімічних наук, науковий співробітник,

тел.:+380(44) 4229635; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Смірнова Олеся Валентинівна, кандидат хімічних наук, молодший науковий

співробітник, тел.:+38 (044) 4229630;

e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Цендра Оксана Михайлівна, кандидат хімічних наук,  науковий співробітник

тел.:+380(44) 4229635; e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. , Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

 

Публікації останніх років

1. O.I. Tkachuk, M.I. Terebinskaya, V.V. Lobanov, A.V. Arbuznikov. Influence of the Localization of Ge atoms within the Si(001)(4x2) surface layer on semicore one-electron states // Computation. -  2016. - V.4, N1. - 14.

2. V.P. Shkilev. Feynman-Kac equations for random walks in disordered media // Math. Model. Nat. Phenom. - 2016. - V. 11, N3. -  2016. - P. 1–13. DOI: 10.1051/mmnp/201611301

3. V. Lysenko, S. Kondratenko, Ye. Melnichuk, V. Lobanov, M. Terebinska, Yu. Kozyrev. Photoelectric properties of Si/Ge heterostructures with nanoscale objects // (Proceedings) International conference Advanced materials and technologies. - (21-23 October 2015, Tbilisi, Georgia). - P. 143-147.

4. A.A. Kravchenko, V.S. Kuts, M.D. Tsapko, T.V. Krupskaya, V.V. Turov. Mechanisms of the hydration of A-300 aerosol with adsorbed chlorides of alkali metals in an organic medium // Russ. J. Phys. Chem. A. – 2015. - V. 89, N 5. – P.786–792.

5. O.V. Filonenko, V.S. Kuts, M.I. Terebinska, V.V. Lobanov. Quantumchemical calculation of 29Si NMR spectrum of silicon dioxide fullerene-like molecules // Chemistry, Physics and Technology of Surface. - 2015. - V. 6., N 2. - P. 263-268.

6. E. Demianenko, M. Ilchenko, A. Grebenyuk, V. Lobanov, O. Tsendra. A theoretical study on ascorbic acid dissociation in water clusters // J. Molec. Modeling. – 2014. – V. 20, N 3. - P.2128(1-8).

7. O. Tsendra, A.Michalkova Scott, L. Gorb, A.D. Boese, F. Hill, M. Ilchenko, D. Lesz-czynska, J. Leszczynski. Adsorption of nitrogen-containing compounds on the (100) α-quartz surface: Ab initio cluster approach // J. Phys. Chem. C – 2014. – V. 118, N6. – P. 3023–3034.

8. М.І. Теребінська. Частоти нормальних коливань адсорбційних комплексів молекулярного кисню на грані Si(111), розраховані в кластерному наближенні // Фізика і хімія твердого тіла. – Т. 15, № 2, 2014. – С. 258 – 263.

9. V.P. Shkilev. Comment on “Anomalous versus Slowed-Down Brownian Diffusion in the Ligand-Binding Equilibrium” // Biophys. J. – 2014. – V.106, N11. - 2541–2543.

10. A.A. Mykytiuk, S.V.Kondratenko, V.S. Lysenko, Yu.N. Kozyrev Photocurrent spectroscopy of Ge nanoclusters grown on oxidized silicon surface // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. – 2014. – Vol. 9126: Nanophotonics. – P. 212-216.

11. E.M. Demianenko, A.G. Grebenyuk, V.V. Lobanov, V.A. Tertykh, I.S. Protsak, Yu.M. Bolbukh, R.B. Kozakevych. Quantum chemical study on interaction of dimethyl carbonate with polydimethylsiloxane // Хімія, фізика та технологія поверхні. – 2014. – Т. 5, № 5. – С.473-479.

Вибори директора

 21 листопада 2017 року в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України відбулися збори колективу наукових працівників, присвячені виборам директора Інституту. В Національну академію наук України надійшли документи від одного претендента, а саме від діючого директора Інституту академіка НАН України М.Т. Картеля. Саме його кандидатура брала участь у виборах.

Станом на 21 листопада 2017 року фактична штатна чисельність наукових працівників Інституту становила 135 осіб, з них на Зборах колективу наукових працівників зареєструвалося 109 осіб, що становить 80,7% . Тобто Збори є правочинними обирати директора Інституту.

Для проведення таємного голосування було виготовлено 135 бюлетенів, участь в голосуванні взяло 108 наукових працівників, в урні виявлено 108 бюлетенів, залишилося нерозданими 27 бюлетенів.

За кандидатуру М.Т. Картеля проголосувало 88 осіб, проти – 19 осіб, недійсних бюлетенів – 1.

Для обрання керівника (директора) Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України необхідно, щоб згідно п. 3.12.4. Статуту НАН України кандидат на посаду директора набрав не менше 2/3 голосів виборців, тобто 72 голоси, або більше 1/2 голосів, коли за кандидата проголосувало менше 2/3 виборців, тобто більше 54 голоси.

Таким чином, КАРТЕЛЬ Микола Тимофійович вважається обраним на посаду директора Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України.

Голова Оргкомітету, головуючий на Зборах чл.-кор. НАН України В.В. Туров.

Секретар Оргкомітету, секретар Зборів А.М.Дацюк