Cietvielu elektronisko struktūru datormodelēšanas laboratorija

1. Nanomateriālu un nanomērogā heterostruktūru elektronisko īpašību aprēķini no pirmajiem principiem
2. Hibrīdo nanostruktūru ierosinātā stāvokļa aprēķini fotokatalīzei
3. Neskartu un bojātu nanostrukturētu saskarņu atomu, elektroniskās un magnētiskās struktūras datormodelēšana
4. Nanostrukturētu ABO₃ tipa perovskītu virsmas īpašību aprēķini efektīvai ūdens sadalīšanai
5. Hibrīdu metālu-oglekļa nanocauruļu īpašību aprēķini
6. Lādiņa pārneses procesa nanostrukturētos fotoelektrodos aprēķini no pirmajiem principiem
7. UV fotonu sensoros izmantojamo perspektīvo materiālu izpēte
8. Nanostrukturēto materiālu vibrācijas īpašību pirmo principu aprēķini
9. Hibrīda nanostruktūru IR un RAMAN spektru aprēķini
10. Cu rotāta grafēna adsorbcijas īpašību modelēšana ārējā elektriskajā laukā

Divdimensiju WS₂ (0001) nanoslāņu ar dažādu biezumu elektronisko struktūru un fotokatalītisko īpašību ab initio aprēķini

 H2O molekulu sadalīšana pusvadītāju elektrodos saules gaismas apstarošanas laikā ir tīrs un atjaunojams veids, kā ražot ūdeņraža degvielu. Fotokatalīzes efektivitāte bezdefektu elektroda gadījumā ir atkarīga no aizliegtās zonas malu relatīvā stāvokļa (valences joslas augšdaļas un vadamības joslas apakšējās daļas), kas būtu pareizi jāsaskaņo ar oksidācijas un reducēšanas potenciāliem, atdalītajiem par 1,23 eV.

Šajā pētījumā esam veikuši hibrīdus DFT-LCAO aprēķinus WS₂ nanoslāņiem stabilā heksagonālā fāzē, kuru biezums ir no 1 līdz 40 monoslāņiem, izmantojot šim nolūkam pielāgoto hibrīda apmaiņas-korelācijas funkcionāli HSE06. Ir konstatēts, ka defektu neskartas WS₂ nanoslāņi ir piemēroti fotokatalītiskiem lietojumiem, jo to aizliegtās zonas platums atbilst redzamās gaismas diapazonam starp sarkano un violeto malu (1,5 eV <plaisa <2,7 eV), bet valences joslas augšdaļa un vadamības joslas apakšdaļa ir pareizi novietota attiecībā pret oksidācijas un reducēšanas potenciāliem. Mēs noskaidrojām, ka nanoslāņu aizliegtā zona sašaurinās, pieaugot monoslāņu skaitam slāņveida WS₂ 2D struktūrā. Vislielākā saules enerģijas konversijas efektivitāte (15–18%), kas parasti tiek sasniegta pie zonas platuma 2,0–2,2 eV (dzeltenā redzamā spektra diapazona daļa), ir konstatēta 2-monoslāņu biezajai stehiometriskajai WS₂ (0001) nanostruktūrai. WS₂ nanoslānis kā potenciāls materiāls fotokatalīzei neprasa dopingu vai vakanču veidošanos kā, piemēram, pārejas metālu oksīdu nanostruktūru gadījumā. Gluži pretēji, šo defektu klātbūtne var pasliktināt WS₂ nanoslāņa fotokatalītisko piemērotību.

Ātrās reakcijas mononanovada fotodetektors, kas balstīts uz ZnO/WS₂ serdeņa/čaulas heterostruktūru

Virsmai piemīt ārkārtīgi svarīga loma nanodaļiņu materiālos, kas spēcīgi ietekmē to īpašības. Līdz ar to pat ļoti plāns pārklājums var ievērojami uzlabot nanostruktūru optoelektroniskās īpašības, modificējot gaismas absorbciju un lādiņu nesēju telpisko sadalījumu. Lai izmantotu šīs priekšrocības, tika izgatavotas 1D/1D heterostruktūras no ZnO/WS₂ serdeņa/čaulas nanovadiem ar dažu slāņu biezumu. Šīs heterostruktūras tika rūpīgi raksturotas ar skenēšanas un transmisijas elektronu mikroskopiju, rentgenstaru difrakciju un Ramāna spektroskopiju. Pēc tam tika montēta mono nanovada fotorezistīvā ierīce, mehāniski pozicionējot ZnO/WS₂ serdeņa/čaulas nanovadus uz zelta elektrodiem skenējošā elektronu mikroskopā.

Šajā darbā ir demonstrēts efektīvs fotodetektors, kas balstīts uz ZnO/WS₂ serdeņa/čaulas nanovada. Fotodetektors reaģē uz apgaismojumu viļņu garumos 660 nm, 532 nm un 405 nm. ZnO/WS₂ serdeņa/čaulas nanovadu ierīcei ir skaidra priekšrocība, salīdzinot ar tīru ZnO nanovadu balstītu fotodetektoru gan attiecībā uz ātrāku reakciju (4,6 reizes), gan ātrāku darbību (90 reizes) 405 nm apgaismojumam. Fotodetektora joslu diagrammu atbalstīja pirmo principu aprēķini, kas liecināja, ka interfeisa slānim i-WS₂, kas savieno ZnO nanovadu virsmu un WS₂ čaulu, varētu būt svarīga loma, lai novērstu lādiņu nesēju difūziju ZnO nanovadā, kamēr WS₂ čaula kalpo kā lādiņnesēju kanāls ZnO/WS₂ heterostruktūrā. Iegūtie rezultāti skaidri parāda 2D TMD materiālu apvienošanas potenciālu ar pusvadītāju nanovadiem, lai radītu jaunas serdeņa/čaulas heterostruktūras ar modernām optoelektroniskajām īpašībām.

Ūdens adsorbcija uz tīra un bojāta anatāzes TiO₂ (001)

Nanocaurules virsmas: virsmas zinātnes pieeja

Fotokatalītiskā ūdens sadalīšana tiek uzskatīta par tīru un videi draudzīgu veidu, kā apmierināt globālās enerģijas prasības. Šim nolūkam pētīta dažādu fotokatalizatoru spēja vadīt ūdens sadalīšanas reakciju saules gaismas ietekmē.

Mūsu molekulās dinamikas simulācijas liecina, ka bez defektu anatāzes TiO2 (001) nanotube virsmas ūdens adsorbē molekulāri caur vāju mijiedarbību ar Ti vietām un ūdeņraža saitēm ar virsmas skābekli. Šis saites veids ir spriegumu izraisīta izliekuma efekta sekas, jo mūsu pētījumi ir parādījuši, ka ne nanostrukturēšana ar plātņu biezuma samazināšanu, ne plāno TiO₂ (001) kārtiņu izmantošana nemaina daļēji disociētā kontakta slāņa virsmas ķīmiju. Ūdens molekulas veido salīdzinoši spēcīgu ūdeņraža saiknes tīklu, gan monolītā slāņā, gan daudzslāņu (2 ML) kārtiņās. Sēru pievienošana proporcijā (1/18) vājina mijiedarbību starp virsmu un ūdeni, slāpekļa piedeva padara virsmu reaktīvāku pret ūdeni, protonu pārnesot uz virsmu un veidojot NH grupu N vietā, kas notiek katrā pētītajā gadījumā. Pie 2 ML pārklājuma, pat otrā virsmas atbalstītā protonu pārnese notiek ūdens plēves iekšpusē, kā rezultātā veidojas OH^- grupa un NH₂ jons uz virsmas. Šis efekts notiek tikai bez sēra piemaisījumiem pateicoties vājākai ūdens mijiedarbībai ar nanocauruli. Šīs uzvedības sekas uz ierosināto stāvokļu blīvumu būs jāizpēta nākamajā publikācijā.

Pozīciju simetrijas pieeja MgAl₂O₄ špineļa ar starpmezglu skābekli superšūnas modelim: ab initio aprēķini

Trīskāršie špineļveida AB₂O₄ oksīdi, kas pazīstami un pētīti diezgan ilgu laiku, pieder pie progresīvo savienojumu klāsta ar dažādām elektriskām, magnētiskām un optiskām īpašībām. Magnija aluminātam (MgAl₂O₄) ar špineļa struktūru, gan kristāliskā, gan keramiskā stāvokli, ir raksturīga kubiskā blīvi iepakota telpiskā kristāliskā morfoloģija, augsts caurspīdīgums no redzamā līdz infrasarkanā viļņa garuma diapazonam, pastiprināta izturība un paaugstināta kušanas temperatūra, lieliska ķīmiska un radiācijas pretestība, kā arī zemi elektriskie zudumi.

Pozīciju simetrijas metode, ko izmanto dažādām neitrāla starpmezglu Oi konfigurācijām MgAl₂O₄ špineļa L4 un L8 superšūnās, balstās uz sadalīto Vaikofa (Wyckoff) pozīciju grupu teoriju analīzi perfektā kristālā. Veicot šo analīzi, esam salīdzinājuši piecas iespējamās telpiskās konfigurācijas skābekļa atomu ievietošanai špineļa struktūras starpmezglu pozīcijās. Kā bija gaidīts, starpmezglu atoma konfigurācija, kurai ir visaugstākā simetrija superšūnas modelī, nodrošina visaugstāko veidošanās enerģiju, savukārt O_i atomu izvietojums mazāk simetriskās špineļa režģa vietās būtu izdevīgāks enerģētiski, jo E_form vērtības ir 5–6 reizes mazākas.

Realizētie projekti:

Apvārsnis 2020

Etilēna oksīda CO2 – balstīta elektrosintēze - CO2EXIDE (2018-2021)

Eiropas komisijas ietvara programmas

EK 7. IP Cacomel (2010-2014)

EK 7. IP Catherine (2008-2010)

ESF projekti

Tehnoloģiski svarīgu materiālu eksperimentāli un teorētiski pētījumi (2013-2015)

EUROfusion

Optisko un dielektrisko materiālu defektu attīstību un struktūras izjaukšanu izvērstā eksperimentālā un teorētiskā analīze pielietojumiem kodolsintēzē (2019-2020)

Radiācijas efektu MgAl2O4 špinelī un vispārējos oksīdos lielā mēroga datormodelēšana (2014-2020)

Latvijas – Ukrainas divpusējās sadarbības programmas zinātnes un tehnoloģiju jomā

ABO3 perovskītu virsmu struktūras, luminiscences un vadītspējas īpašību anomālās uzvedības raksturojums pie zemām temperatūrām un ab-initio aprēķini (2019-2020)

LZP granti

Hibrīda nanostrukturēto fotokatalītisko materiālu teorētiska prognoze efektīvai ūdens šķelšanai (2018-2020)

ABO3 perovskītu virsmu un defektu aprēķini no pirmajiem principiem (2013-2016)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Moderno cietvielu un nanomateriālu kvantu ķīmijas un molekulāras dinamikas pētījumi: izaicinošs ceļš uz realitāti (2018-2021)

Valsts pētījumu programmas

VPP Materiālzinātnēs un Informācijas tehnoloģijās (2010-2013)

Itālija:

• Nacionalās Fraskati laboratorijas(INFN), Frascati (Rome), Italy (Dr. S. Bellucci).

Kazahstāna:

• L.N. Gumilyova Eirāzijas Nacionālā Universitāte (Fizikas un tehniskās zinātnes fakultāte), Norsultana, Kazakhstan (Prof. A.T. Akilbekov).

Ķīna:

• Izglītības ministrijas zinātņu klastera atslēglaboratorija, Pekinas Tehnoloģijas institūts, Pekina, Ķīnas tautu republika (Dr. H. Shi).
• Džilinas universitātes Teorētiskās ķīmijas institūts, Čančunga, Ķīnas tautu republika (Dr. R. Jia).

Krievija:

• Vispārējas un neorganiskās ķīmijas institūts, Krievijas Zinātņu akadēmija, Maskava, Krievijas Federācija (Prof. P.N. Dyachkov);
• San-Petersburgas valsts universitāte (Ķīmijas fakultāte), Petrodvoreca (St. Petersburg), Krievijas Federācija (Prof. R.A. Evarestov).

Šveice:

• Paula Šērera Institūts, Villigene, Šveice (Dr. M. Krack).

Vācija:

• Disburgas-Esenes Universitāte (Teorētiskā ķīmija), Esene, Vācija (Prof. Dr. E. Spohr);
• Lietišķõ materiālu institūts (KIT), Karlsrūe, Vācija

Jing Wang, M.-Y. Wang, G. Yin, R. Jia, Jian Wang, R.I. Eglitis, H.-X. Zhang. Nickel-catalyzed carboxylation of aryl zinc reagent with CO₂: A theoretical and experimental study. Journal of CO₂ Utilization, 2019, 29, pp. 262-270.

D. Bocharov, S. Piskunov, Yu.F. Zhukovskii, and R.A. Evarestov, Ab Initio calculations on the electronic structure and photocatalytic properties of two-dimensional WS2 (0001) nanolayers of varying thickness. Phys. Status Solidi RRL, 2018, 12, 1800253 (pp. 1-6).

Yu.F. Zhukovskii, S. Piskunov, O. Lisovski, D. Bocharov, and R.A. Evarestov, Doped 1D nanostructures of transition-metal oxides: first-principles evaluation of photocatalytic suitability (Review). Isr. J. Chem., 2017, 57, p. 461-476.

A. Platonenko, S. Piskunov, D. Bocharov, Yu.F. Zhukovskii, R.A. Evarestov, and S. Bellucci, First-principles calculations on Fe-Pt nanoclusters of various morphologies. - Sci. Rep., 2017, 7, 10579 (p. 1-8).

B. Polyakov, A. Kuzmin, K. Smits, J. Zideluns, E. Butanovs, J. Butikova, S. Vlassov, S. Piskunov, and Yu.F. Zhukovskii, Unexpected epitaxial growth of a few WS₂ layers on {11̅00} facets of ZnO nanowires. - J. Phys. Chem. C, 2016, 120, p. 21451−21459.

S. Piskunov, O. Lisovski, J. Begens, D. Bocharov, Yu.F. Zhukovskii, M. Wessel, and E. Spohr, C‑, N‑, S‑, and Fe-doped TiO₂ and SrTiO₃ nanotubes for visible-light-driven photocatalytic water splitting: Prediction from first principles. - J. Phys. Chem. C, 2015, 119, p. 18686−18696.

S. Piskunov and E. Spohr, SrTiO₃ nanotubes with negative strain energy predicted from first principles. - J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, p. 2566–2570.

Yu.F. Zhukovskii, P. Balaya, E.A. Kotomin, and J. Maier, Evidence for interfacial-storage anomaly in nanocomposites for lithium batteries from first-principles simulations. - Phys. Rev. Letters, 2006, 96, 058302 (p. 1-4).

S. Piskunov, E. Heifets, E.A. Kotomin, J. Maier, R.I. Eglitis, and G. Borstel, Hybrid DFT calculations of the atomic and electronic structure for ABO3 perovskite (001) surfaces. – Surf. Sci., 2005, 575, p. 75-88.

S. Piskunov, E. Heifets, R.I. Eglitis, and G. Borstel, Bulk properties of SrTiO₃, BaTiO₃ and PbTiO₃ perovskites: an ab initio HF/DFT study. - Comput. Mater. Sci., 2004, 29, p. 165-178.

Dmitrijs Bočarovs, 5. aprīlī 2018.g., Populārzinātniskā saruna par zinātni un pēcdoktorantūras projekta aktivitātēm: http://lr4.lsm.lv/lv/raksts/priroda-veschey/smena-paradigmi-sovremennoy-latviyskoy-nauki-teorija-i-praktika.a101981/