В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Сатановой Балжан Маликовны на тему «Теоретическое моделирование перспективных наноразмерных материалов на основе оксидов переходных металлов» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - казахский
Официальные рецензенты:
- Сергеев Даулет Максатович – кандидат физико-математических наук, ассоцированный профессор, подполковник, начальник кафедры конструкции и эксплуатации радиоэлектронного оборудования РГУ «Военный институт Сил воздушной обороны имени дважды Героя Советского Союза Т.Я. Бегельдинова» МО РК(г.Актобе, Республика Казахстан);
- Кенжина Инеш Еразыевна – доктор PhD, ассоцированный профессор, профессор-исследователь Казахского национального исследовательского технического университета имени Сатпаева (КазНИТУ им. К.И.Сатпаева) (г.Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
- Боргеков Дарын Боранбаевич –доктор PhD, заместитель директора Астанинского филиала РГП на ПХВ «Институт ядерной физики» МЭ РК (г.Астана, Республика Казахстан);
- Сатбаева Зарина Аскербековна – доктор PhD, профессор кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика», НАО «Шәкәрім Университет» (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан);
- Перевалов Тимофей Викторович–кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения Российской Академии наук (г. Новосибирск, Россия)
Научные консультанты:
- Абуова Фатима Усеновна – доктор PhD, ассоциированный профессор кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий,НАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);
- Қаптағай Гүлбану Әлібекқызы – доктор PhD, ассоциированный профессор кафедрыфизикиКазахскогонациональногоженскогопедагогическогоуниверситета (г. Алматы, Республика Казахстан);
- Котомин Евгений Алексеевич – доктор физико-математических наук, Академик Латвийской Академиинаук ИнститутаФизики Твердоготела Латвийского Университета (г. Рига, Латвия).
Защита состоится: 4 сентября 2025 года 16:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по специальности «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: https://clck.ru/3MvQfA
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана 13, аудитория 309
Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Сатановой Балжан Маликовны «Теоретическое моделирование перспективных наноразмерных материалов на основе оксидов переходных металлов», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140-Наноматериалы и нанотехнологии» Актуальность работы. Гетероструктуры наноразмерных материалов, комбинированных оксидами переходных металлов представляют собой системы, состоящие из двух и более компонентов, на границе контакта между которыми возникают новые физико-химические свойства. В таких наноразмерных системах эти эффекты усиливаются за счёт квантования энергетических уровней и увеличенной значимости поверхностных явлений. Именно на стыке различных материалов происходят процессы переноса заряда, изменения локального электронного распределения, а также возможна модуляция магнитных свойств. В современных исследованиях особое внимание уделяется наноразмерным материалам, поскольку их свойства могут существенно отличаться от таковых у макроскопических аналогов вследствие квантовых эффектов, увеличенного отношения площади поверхности к объёму и специфики межфазовых взаимодействий. В данной работе рассмотрены гетероструктура, в составе которой еровскитный оксид, такой как BaTiO₃. BaTiO3 – популярный классический электрик с широким спектром применений: от диэлектрических конденсаторов до нелинейных оптических устройств. Такие системы демонстрируют синергетический эффект, позволяющий получать улучшенные электро-, магнито- и оптофункциональные характеристики, что открывает перспективы для применения в фотокатализе, спинтронике, сенсорике и солнечной энергетике. Углеродные материалы и наноструктурированные ферроэлектрические перовскиты, включая титанат бария и другие ферромагнитные (La2/3Sr1/3МnО3, SrRuO3) гетероструктуры на основе оксидов переходных металлов, являются новыми мультифункциональными для ячеек памяти, квантовых компьютерных элементов, анодов ионных батарей Li, фотокатализаторов, суперконденсаторов, транзисторов, сенсорных материалов, солнечных элементов, топливных элементов, электрохромных устройств является перспективным для разработки материалов. Исследования по синтезу гибридного нанокомпозита BaTiO₃/графен показали, что высокая проводимость графеновых слоёв ускоряет транспорт носителей заряда и расширяет спектр поглощения. Оптимизированная структура композита привела к значительному увеличению фотокаталитической активности в реакциях разложения органических загрязнителей под воздействием видимого света. XPS и УФ-видимая спектроскопия подтвердили улучшенные характеристики материала. Продолжая эту тенденцию, было показано, что ВТО, модифицированный графеновыми точками, демонстрирует улучшенные оптические свойства и более эффективное разделение заряда. Взаимодействие между перовскитной матрицей и углеродными наноструктурами способствует снижению ширины запрещённой зоны и повышению эффективности поглощения фотонов в видимой области спектра. Комбинация перовскита BaTiO₃ с графеном была реализована лишь в нескольких экспериментальных работах. Однако теоретически реализация процесса является сложно из-за различия постоянных кристаллической решетки титаната бария и графена. Поэтому в предлагаемой работе с целью изучения процесса комбинации углеродных материалов, графена с перовскитом исследуется процесс адсорбции углерода на ТіО2 терминированной поверхности титаната бария. Методы вычислительного материаловедения является мощной техникой для улучшения функциональных материалов. По сравнению с экспериментами, вычисления намного дешевле, быстрее и безопаснее. Таким образом, большое количество дорогостоящих экспериментов может быть эффективно ограничено наиболее перспективными вычислительными решениями. Теоретическое предопределение электронно-оптических и магнитных свойств вышеуказанных материалов позволит характеризовать структуры дефектов в оксидах переходных элементов и выработать методы по управлению ими в процессе изготовления технологично важных материалов с востребованными свойствами. Объект исследования. Чистая и модифицированная атомом углерода (100) поверхность сегнетоэлектрического перовскита BaTiO3. Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертации является квантово-химическое моделирование перспективных наноразмерных материалов на основе (100) поверхности перовскитной структуры BaTiO3 посредством модификации структурных и электронных свойств внедрением атомов углерода. Энергетическая эффективность полученных структур в качестве катализаторов для различных технологических процессов будет оценена результатами исследования процесса адсорбции кислорода. Это будет достигнуто за счет оптимизации состава и структуры сложных оксидных наночастиц на основе результатов первопринципных расчетов методами теории функционала плотности (DFT) и современных крупномасштабных расчетов. Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи: 1. Первопринципное компьютерное моделирование структурных и электронных (100) поверхности перовскита BaTiO3. 2. Выбор эффективных легирующих добавок на (001) поверхности перовскита BaTiO3. 3. Исследование влияния легирования атомами углерода на структурные и электронные свойства TiO₂ терминированной (100) поверхности. 4. С помощью современных методов провести расчёты для прогнозирования эффективности полученных структур при адсорбции атомарного и молекулярного кислорода. Методы исследования. Все расчеты были выполнены с помощью компьютерного кода VASP с использованием формализма проекционно-дополненных плоских волн (PAW). Оптимизация геометрии исследуемых моделей и расчет термодинамики реакции расщепления воды были выполнены с использованием функционала обменной корреляции GGA-PBE (Perdew Burke–Ernzerhof). Таким образом применяется комплексный подход включающее поиск и подготовку нанокластеров рассматриваемых систем, описания и характеризацию структуры и размерности дополнительными расчетными методами, расчета электронных свойств, визуализации полученных результатов, а также сопоставления расчетных и экспериментальных данных. Научная новизна исследования. 1. Впервые рассчитаны значения ширины запрещенной зоны, а также параметры характеризующие титаната бария; 2. Показано, что поверхность (100) в структуре нейтральна и неполярна. Рассчитанное значение ширины запрещенной зоны для ТіО2 терминированной (100) поверхности равна 2,42 эВ. Ширина запрещенной зоны поверхности (100) ниже, чем в объеме структуры; 3. Впервые исследован процесс адсорбции атома углерода в 7 неэквивалентных позициях на ТіO2- терминированной (001) поверхности ВаТіO3 структуры; 4. Впервые показано, что при адсорбции атома углерода на поверхности (100) на 7 неэквивалентных позициях адсорбция более стабильна над ионами титана и кислорода; 5. Впервые установлено, что при адсорбции ионов углерода с различными концентрациями на TiO2 терминированной поверхности примесные атомы с кислородами поверхности образуют ковалентные связи. 6. Впервые исследована возможность значительного увеличения энергии адсорбции молекулярного кислорода на TiO₂-терминированной поверхности путем её модификации атомами углерода. Данный эффект открывает перспективы для использования модифицированного диоксида титана в различных процессах, требующих эффективного поглощения в видимой области спектра. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Энергия адсорбции углерода на рассматриваемых 7 неэквивалентных позициях на ТіO2- терминированной (001) поверхности ВаТіO3 структуры составляет -3,23 эВ – -5,32 эВ. Энергетически наиболее выгодными позициями для адсорбции атома углерода на ТіO2 терминированной (001) ВаТіO3 поверхности являются позиция «над ионом Ті» с энергией адсорбций -4.8 эВ и «над ионом О» с энергией адсорбций -5.32 эВ. 2. При увеличении концентрации атомов углерода с 0,25% до 0,75% уменьшается энергия связи атомов углерода с поверхностью на ТіО2- терминации. Энергетические барьеры диффузии примесных атомов низкие, что указывает на сильную связб между примесными атомами. 3. При легированной углеродом терминации TiO2 энергия адсорбции молекулы кислорода увеличивается, что происходит из-за перераспределения электронной плотности на поверхности материала. Практическая значимость полученных результатов. Полученные в результате этого исследования данные могут быть использованы для углубления понимания деталей электрохимических процессов, происходящих в допированных родием BaTiO3 материалах, а также для возможного улучшения их свойств. Данная диссертационная работа будет служить в качестве достижения в оксидных материалах для исследования возобновляемой энергий для энергетической промышленности. В качестве результатов расчетов предложено получить более глубокое объяснение основ физических явлений, связанных с различными физико-химическими процессами в технологично важных материалах. Разработанный подход поможет предсказывать новые материалы с предопределенными свойствами, что даст возможность инженерам и материаловедам быстрее и с меньшими издержками синтезировать новые материалы с улучшенными характеристиками для нужд солнечной энергетики. Личный вклад автора: Все расчеты по адсорбции воды и расщепления на чистой и допированной поверхностях были выполнены лично автором настоящей диссертации. Все промежуточные и итоговые результаты обсуждались с научными консультантами темы диссертационной работы, ассоцированными профессорами Ф.Абуовой, Г.А.Каптагай, зарубежным научным консультантом, сотрудником Института Физики Твердого Тела (Рига, Латвия) Академиком Латв.А.Н. Е.А. Котоминым. Апробация работы. Работа выполнена в рамках грантового проекта АР14972694 «Разработка и исследование новых многофункциональных vdW-структур 2D-пленок на основе оксидов переходных металлов» на 2022-2024 гг. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в изданиях, полностью соответствующих теме диссертации: в том числе 1 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в базы данных Scopus, относящихся к квартилю Q2, percentile 50%), 4 статьи в научных изданиях, ККСОН РК, и доклады на международных научных конференциях. Публикации. Materials: 1.Effect of rhodium doping for photocatalytic activity of barium titanate // Optical XVolume 25, https://doi.org/10.1016/j.omx.2024.100382 February 2025, 100382 2. Оptical properties of low-dimensional systems: methods of theoretical study of 2d materials, Вестник НЯЦ РК :выпуск 4, декабрь 2022 https://doi.org/10.52676/1729-7885-2022-4-35-40 3. Аb-initio calculations of rhombohedral BaTiO3 (111) surface combined with graphene films Вестник НЯЦ РК :выпуск 4, декабрь 2023.- С.91-97 4. BaTiO3 (001) бетіндегі оттегінің адсорбциялануына көміртегін қоспалауды алғашқы қағидалардан зерттеу. Л.Н. Гумилев атындағы еуразия ұлттық университетінің хабаршысы. физика. астрономия сериясы, 150(1), 204 218. https://doi.org/10.32523/2616-6836-2025-150-1-204-218 5. Барий титанатын көміртегімен модификациялауды алғашқы қағидалардан теориялық зерттеу. қр ұяо жаршысы. шығарылым 2,2025 6.Корреляциясы бар гибридті графен-оксидті 2d материалдар (ҚАТТЫ ДЕНЕ ФИЗИКАСЫ XV Күшті электронды Халықаралық ғылыми конференциясы) (Астана 2022) , 7.Аb-initio calculations of rhombohedral BaTiO3 (111) surface combined with graphene layers (INSS-2023) (Mugla University, Akyaka, Turkey 2023); 8. Исследование гибридных материалов с низким размером перовскита. II- международной конференции «фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников, микро- и наноэлектроники» (Ташкент, 27-28 октября 2023 г.) 9.Characteristics of rhombohedral BaTiO3/Graphene (111) surface (LUMDETR 2024) (Riga, Latvia 2024); 10. Surface Characterictics of Rhombohedral BTO (111) Surface (EFRE 2024) (TOMSK, RUSSIA 2024). Объем и структура диссертационной работы. Общий объем работ 90 страниц. Диссертационная работа состоит из 3 разделов, заключения, 110 списков использованной литературы, 16 таблиц, 28 рисунков. Основное содержание работы. Диссертационная работа дается в следующей последовательности. Во введении рассматриваются актуальность выбранной диссертационной работы, объект исследования, проблемы исследования, цель, исследование. Характеризуются итоги проведенных работ, их практическая значимость, научная новизна. В первой части проведён литературный обзор теоретического прогнозирования атомных и электронных структур, а также оптических свойств перовскита BaTiO3 и их применения на практике в качестве различных материалов для технологический важных процессов. Вторая часть основана на методах квантово-химических расчетов электронных структур и оптических свойств перовскита BaTiO3. Расчет осуществлялся с использованием программы Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) в рамках теории функционала плотности. Методы ab initio основаны исключительно на законах квантовой механики и решают электронное уравнение Шредингера с учетом положения ядер и количества электронов для получения необходимых данных, таких как электронная плотность, энергия и другие свойства системы. В третьей части оценивались параметры решётки и объемные, электронные свойства фазы BaTiO₃ с помощью функционалов РВЕ. Рассматривалась модель процессов расщепления воды на (100) поверхности тетрагональной фазы BaTiO₃. Влияние допирования атомами углерода на электронную структуру кристалла BaTiO3 рассчитывалось с использованием гибридного функционала РВЕ. Результаты расчетов показали, что ширина запрещённой зоны для чистых поверхностей TiO₂ и BaO составляет 2,5 эВ и 3,0 эВ соответственно. Допирование атомом углерода показало, что в запрещённой зоне появляются состояния С-2р, что подтверждает уменьшение ширины запрещённой зоны. Допирование атомами С показало улучшение каталитической активности для молекулы кислорода. В заключении приведены выводы и основные результаты диссертационного исследования.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=iojUZOS7tsQ&ab_channel=ENUOFFICIAL
