В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Байрбаевы Гүлдәри Бақайқызы на тему «Моделирование физических свойств диоксида циркония» по образовательной программе «8D05323 – Техническая физика».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Технической физики» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Жантурина Нургул Нигметовна – к.ф.-м.н., ассоциированный профессор, профессор кафедры физики, Актюбинский региональный государственный университет им. К.Жубанова, г. Актобе, Республика Казахстан;
Копбалина Қымбат Бағдатқызы – доктор философии (PhD), старший преподаватель кафедры физики Карагандинского технического университета им. Абылкаса Сагинова, г. Караганда, Республика Казахстан.
Временные члены Диссертационного совета:
Абуова Айсулу Усеновна – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор кафедры «Техническая физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан;
Тұрлыбекұлы Аманжол – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор, ведущий научный сотрудник ЧУ "National Laboratory Astana", Назарбаев Университет, г. Астана, Республика Казахстан;
Ильясов Бауржан Рашитович – доктор философии (PhD) по специальности физика, ассоциированный профессор, директор школы интеллектуальных систем, Astana IT University, г. Астана, Республика Казахстан.
Научные консультанты:
Салиходжа Жусупбек Мухамеджанулы – к.ф.-м.н., доцент кафедры «Техническая физика» ЕНУ имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан;
Доломатов Михаил Юрьевич – доктор химических наук, профессор Уфимского государственного нефтяного технического университета, г. Уфа, Российская Федерация.
Защита состоится: 25 июня 2026 года 13:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05323 – Техническая физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в офлайн и онлайн формате.
Ссылка: https://share.kz/g5JnZ
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, аудитория №310 учебного корпуса №3
Аннотация (рус.): Целью диссертационного исследования является исследование электронных и упругих свойств и влияния ионов Mg+2, Ca+2 и Y+3 на электронную структуру ZrO2, а также установление закономерностей ионной проводимости c-ZrO2. Задачи исследования 1. Оптимизация геометрических параметров кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2. 2. Исследование электронных свойств чистых кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2. 3. Расчет упругих свойств кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2 под гидростатическим давлением 0–80 ГПа. 4. Квантово-химическое исследование зонной структуры кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2, стабилизированных ионами замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3. 5. Моделирование ионной проводимости в кристалле c-ZrO2, стабилизированного ионами замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3. Методы исследования Все вычисления были выполнены в программе CRYSTAL-23 на основе теории функционала плотности (ТФП). В моделировании чистого кристалла ZrO2 использовались различные негибридные и гибридные обменно-корреляционные функционалы, такие как B3LYP, B3PW, PBE, PBEsol, LDA, PWGGA, HSE06, SCAN. Для всех расчётов, включая исследование зонной структуры, миграции кислородных вакансий, а также упругих свойств чистого диоксида циркония при высоких давлениях, использовался нелокальный гибридный обменно-корреляционный функционал B3LYP. Данный функционал применялся как для чистого ZrO2, так и для систем, стабилизированных ионами замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3. Структурные и электронные свойства кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2 моделированные методом ТФП хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Основные положения (доказанные научные гипотезы и другие выводы, являющиеся новыми знаниями), выносимые на защиту 1. Полученные значения постоянной решетки и ширины запрещенных зон, при моделировании кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2 с использованием функционала B3LYP хорошо согласуются с экспериментальными значениями. 2. Кристаллы сохраняют механическую устойчивость под гидростатическим давлением для c-ZrO2 до 80 ГПа, для t-ZrO2 до 65 ГПа и для m-ZrO2 до 20 ГПа. С ростом давления увеличиваются упругие константы и модули упругости B, Y, G для всех фаз. Ширина запрещённой зоны возрастает для c-ZrO2, m-ZrO2, а для t-ZrO2 резко уменьшается в диапазоне 15÷40 ГПа. 3. Введение ионов замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3 в структуру c-ZrO2, t-ZrO2, m-ZrO2 приводят к образованию локальных электронных уровней выше уровня Ферми, соответствующих кислородным вакансиям. При этом вклады ионов замещения в плотность электронных состоянии незначительны. 4. Введение примесных ионов замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3 в c-ZrO2 способствует стабилизации структуры и снижению энергии активации иона кислорода при дальнем расположении примесных катионов от линии миграции. Описание основных результатов исследования В данной диссертационной работе с использованием гибридного обменно-корреляционного функционала B3LYP в рамках теории функционала плотности исследованы электронные, миграционные и упругие свойства чистого и легированного c-ZrO2. Проведённые расчёты показали, что выбранный подход позволяет адекватно описывать ширину запрещённой зоны, электронную структуру, миграционные характеристики кислородных вакансий и изменение упругих параметров диоксида циркония под действием гидростатического давления. Для чистого c-ZrO2 получено хорошее согласие расчётных структурных и электронных параметров с экспериментальными и литературными данными; ширина запрещённой зоны по B3LYP составляет около 5,75 эВ. Кристаллы сохраняют механическую устойчивость под гидростатическим давлением для c-ZrO2 до 80 ГПа, для t-ZrO2 до 65 ГПа и для m-ZrO2 до 20 ГПа. С ростом давления увеличиваются упругие константы C11, C12, C44 и модули B, Y, G для всех фаз, что указывает на повышение жёсткости и устойчивости материала к деформации. Ширина запрещённой зоны возрастает для c-ZrO2, а для t-ZrO2 резко уменьшается в диапазоне 15÷40 ГПа. При стабилизации с-ZrO2 ионами замещения Mg+2, Ca+2 и Y+3 формируются зарядово-компенсированные дефектные комплексы с участием кислородных вакансий. Эти дефекты определяют термодинамическую устойчивость структуры и энергию миграции кислорода. Замещение Zr4+ двухвалентными катионами Mg2+ и Ca2+ приводит к более выраженному нарушению локального электростатического поля. В случае Y3+ зарядовое несоответствие с Zr4+ меньше, поэтому искажение кислородной подрешётки имеет более мягкий характер. При стабилизации ионами замещения Mg2+, установлено последовательное снижение полной энергии с увеличением числа ионов Mg2+. При расположении Mg2+ вдоль линии миграции значения полной энергии составляют −173916,22, −176037,62 и −178159,57 эВ для Zr31Mg1O63, Zr30Mg2O62 и Zr29Mg3O61 соответственно. Это подтверждает стабилизацию дефектной структуры. Однако энергия миграции зависит от положения Mg2+. Вдоль линии миграции возможен рост барьеров до 2,4–3,31 эВ, тогда как вне линии миграции максимальные значения не превышают 1,05–1,34 эВ. Стабилизация c-ZrO2 ионами Ca2+ также приводит к снижению полной энергии при увеличении числа ионов Ca2+: −186899,28, −202012,34 и −217126,06 эВ для Zr31Ca1O63, Zr30Ca2O62 и Zr29Ca3O61, соответственно. При расположении Ca2+ вдоль линии миграции формируются высокие энергетические барьеры: 2,5 эВ для одного Ca, 4,4 эВ для двух Ca и 3,0 эВ для трех Ca2+. При расположении Ca2+ вне линии миграции барьеры существенно ниже и составляют 1,15, 1,40 и 1,05 эВ соответственно. Следовательно, Ca2+ стабилизирует структуру, но при размещении вдоль линии миграции может заметно затруднять перенос O2-. Для c-ZrO2, стабилизированного ионами замещения Y+3 характерна более низкая энергия миграции кислорода. В конфигурации c-Zr30Y2O61 при расположении Y+3 вдоль линии миграции максимальный барьер составляет около 5,7 эВ, а минимум энергии близок к 0 эВ. При расположении Y+3 вне линии миграции энергия изменяется периодически, а локальные максимумы достигают около 1,1 эВ. Это указывает на более равномерное электростатическое поле и меньшую степень локального искажения по сравнению с Mg+2 и Ca+2 -содержащими системами. Обоснование новизны и важности полученных результатов 1. Показано, что ширина запрещённой зоны чистых кристаллов c-ZrO2, t-ZrO2 и m-ZrO2 рассчитанная методом B3LYP, составляет 5,75 эВ, 2. Показано, что образование кислородных вакансий в c-ZrO2, t-ZrO2 и m-ZrO2 существенно изменяет электронную структуру материала. 3. Выявлено, что ионы замещения ионами Mg+2, Ca+2 и Y+3 по-разному влияют на миграцию кислородной вакансии: для Mg+2-содержащих конфигураций барьеры составляют 0,96–1,32 эВ, для Ca+2 -содержащих 1,05–4,4 эВ, а при замещении ионами Y+3 максимальный барьер снижается до 1,1 эВ при расположении вне пути миграции. 4. Установлено, что наибольшее увеличение миграционного барьера наблюдается при расположении ионов Y+3 вдоль траектории переноса, где его значение достигает 5,7 эВ, наоборот при распределении вне пути миграции примесь Y+3 создаёт наиболее благоприятные условия для миграции ионов кислорода. Соответствие направлениям развития науки или государственным программам Диссертационная работа соответствует приоритетным направлениям развития науки, которые реализуются в Республике Казахстан и содержит новые научно обоснованные теоретические результаты, совокупность которых имеет важное значение для развития исследуемых научных направлений. Описание вклада соискателя в подготовку каждой публикации Личный вклад автора. Все теоретические расчеты, обработка и анализ результатов диссертационного исследования были проведены автором совместно с научными консультантами. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: - 12th International Conference Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation, Рига, Латвия, 2025; - 21ST International Conference on Defects in Insulating Materials (ICDIM) Астана, Казахстан, 2025; - 10th International Congress «Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2024 online), Томск, Россия 2024. Опубликованные результаты работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, из них: 2 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в базу данных Web of Science и Scopus; 1 статья в журнале, входящем в перечень, рекомендуемый КОКСОН МНВО РК; в материалах 3-х международных конференций. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка использованных источников. Объем диссертационной работы составляет 123 машинописных страницы, включает 65 рисунков, 9 таблиц и 206 литературных источников.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=_6GDIAn-xXw
