Носенко В. В. Структура та властивості парамагнітних центрів у широкощілинних матеріалах на основі апатитів, оксидів та А2В6

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора наук

Державний реєстраційний номер

0524U000174

Облікова картка дисертації

0524U000174.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 01.04.07 - Фізика твердого тіла

29-05-2024

Спеціалізована вчена рада

Д 26.199.01.

Інститут фізики напівпровідників імені В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Анотація

1. Метою роботи було визначення природи, властивостей та еволюції парамагнітних дефектів у світловипромінювальних та радіаційно-чутливих широкощілинних матеріалах, а також обґрунтування фізичних основ використання цих дефектів в якості зондів структури досліджуваних матеріалів. Об'єктом дослідження були парамагнітні дефекти у широкощілинних матеріалах на основі гідроксилапатитів (ГАП), оксидів та А2В6. В роботі використано радіоспектроскопічні (електронний парамагнітний резонанс, оптично-дектований магнітний резонанс, подвійний електронно-ядерний резонанс), оптичні (фотолюмінесценція, комбінаційне розсіювання світла), структурні (дифракція рентгенівських променів, скануюча електронна мікроскопія), електричні (вольт-амперні характеристики) методи дослідження. Для моделювання спектрів застосовувалися програми Symphonia з пакету WinEPR компанії Bruker, Separator із пакета Visual EPR та Origin. Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше виявлено радіаційно-індуковані центри в ГАП з домішками нітрату ((N)ГАП) або одночасно карбонату та нітрату ((С,N)ГАП): NO32 (І), NO32 (ІІ), NO32-(ІІІ), NO32-(IV), NO32-(V), Ox-; визначено їх радіоспектроскопічні параметри, структуру, механізми утворення під впливом γ- і УФ-опромінення та трансформації при термообробці; виявлена селективна генерація парамагнітних центрів NO32 і СО2- в (C,N)ГАП в залежності від енергії кванта зовнішнього опромінення (УФ чи ); показано, що радіаційною чутливістю ГАП можна керувати за допомогою попередніх відпалів, а оптимальною для ЕПР дозиметрії є реєстрація сигналу центрів СО33 у (С)ГАП, відпаленому при 700оС; виявлено характеристичний параметр, а саме відношення кількості аксіальних до орторомбічних СО2 центрів, величина якого залежить від віку викопного біологічного ГАП (зубна емаль) і не залежить від потужності дози, що відкриває нові можливості у датуванні палеонтологічних знахідок; показано, що покриття із синтетичного (С)ГАП, отримані в процесі детонаційного напилення, є сумішшю двох хімічно близьких сполук: апатиту і тетракальційфосфату, причому відносні внески цих фаз залежать від технологічних умов виробництва покриття, а перетворення структури ГАП у процесі напилення відбуваються переважно вздовж осі 6-го порядку та в її найближчому оточенні; виявлені нетривіальні особливості спектрів КРС ГАП покриттів (широка смуга в діапазоні від 1000 до 4000 см–1; інтенсивні смуги на 5000 і 5027 см–1), які інтерпретовано в рамках уніфікованого теоретичного підходу як результат комплексної ангармонічної взаємодії між фундаментальним коливанням OH, фононами ґратки та обертоном згинальних коливань; визначені параметри спінового Гамільтоніана для іонів Mn2+ у кристалічних фазах Mg2TiO4 та MgTiO3, що дало інструмент для аналізу фазового складу багатокомпонентних керамік; встановлено закономірності розподілу Mn в варисторній кераміці ZnO:Mn, а також продемонстровано можливість керування розподілом Mn у готовій кераміці за допомогою додаткових термічних відпалів; продемонстровано, що легування Манганом в процесі колоїдного росту CdS:Mn наночастинок сповільнює їх ріст; показано, що парамагнітні центри Mn2+ можна використовувати в якості зонду для визначення вкладу різних політипів при змішано-політипній структурі мікронних та субмікронних порошків ZnS. В нано-ZnS за допомогою вивчення сигналу ЕПР від Mn2+ виявлено нелокальні непарамагнітні дефекти – планарні дефекти пакування та показано, що вони є типовими дефектами ґратки для кубічного нано-ZnS. Практична значущість одержаних результатів полягає у тому, що було запропоновано матеріал ((C,N)ГАП) для створення селективного детектора радіаційного опромінювання, тобто такого, який дозволяє виокремлювати вплив УФ- та -опромінення. Запропоновано спосіб сенсибілізації дозиметричного матеріалу ((С)ГАП), а саме показано, що найбільший дозиметричний відгук матеріалу можна отримати, використовуючи сигнал від СО33- центрів в (С)ГАП, попередньо відпалених при 700оС. Розроблено фізичні основи для нового методу ЕПР-датування викопних ГАП-містких палеонтологічних знахідок. Цей метод вільний від недоліка, притаманного відомому методу ЕПР датування, а саме, не потребує використання величини річної дози опромінення та додаткового доопромінення. Ідентифіковано технологічні фактори впливу на дефектну структуру біосумісних покриттів, отриманих методом детонаційного напилення С(ГАП). Продемонстровано можливість використання ЕПР сигналу від Mn2+ для експрес-аналізу фазового складу мікропорошків змішано-політипного сульфіду цинку, а також для виявлення локальних спотворень кристалічної ґратки (планарні дефекти) в нано-ZnS.

Читати повністю

Публікації

1. Vorona, I.P., Shanina, B.D., Dzhagan, V.M., Rudko, G.Yu., Nosenko, V.V., Raievska, O.Ye., Stroyuk, O.L. (2022). Size-dependent effects in optically detected magnetic resonance spectra of CdS nanocrystals. J. Phys. Chem. C // A, 126(36), 15465–15471. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c04144

2. Bacherikov, Yu.Yu., Vorona, I.P., Gilchuk, A.V., Goroneskul, V.Yu., Zhuk, A.G., Kladko, V.P., Nosenko, V.V., Okhrimenko, O.B., Ponomarenko, V.V., Polishchuk, Yu.O. (2022). Metamorphosis of the properties of the gas-phase fraction of ZnS:Mn obtained by the method of self-propagating high-temperature synthesis from the charge with a different Zn/S ratio. Journal of Luminescence // A, 251, 119184. doi: 10.1016/j.jlumin.2022.119184;

3. Markevich, I., Korsunska, N., Vorona, I., Nosenko, V., Kolomys, O., Strelchuk, V., Stara, T., Bondarenko, V., Melnichuk, O., Melnichuk, L. (2020). Mn distribution in ZnO:Mn ceramics: influence of sintering process and thermal annealing. ECS J. Solid State Sci. Technol. // A, 9, 103001. doi: 10.1149/2162-8777/abba06

4. Borkovska, L., Khomenkova, L., Vorona, I., Nosenko, V., Stara, T., Gudymenko, O., Kladko, V., Labbé, C., Cardin, J., Kryvko, A., Kryshtab, T. (2020). The role of excess MgO in the intensity increase of red emission of Mn4+-activated Mg2TiO4 phosphors. Journal of Materials Science: Materials in Electronics // A, 31, 7564. doi:10.1007/s10854-020-03143-x

5. Nosenko, V.V., Rudko, G.Yu., Yaremko, A.M., Yukhymchuk, V.O., Hreshchuk, O.M. (2018). Anharmonicity and Fermi resonance in the vibrational spectra of a CO2 molecule and CO2 molecular crystal: similarity and distinctions. Journal of Raman Spectroscopy// A, 49(3), 559-568. doi:10.1002/jrs.5297;

6. Nosenko, V., Vorona, I., Grachev, V., Ishchenko, S., Baran, N., Bacherikov, Yu., Zhuk, A., Polishchuk, Yu., Kladko, V., Selishchev, A. (2016). The Crystal Structure of Micro- and Nanopowders of ZnS Studied by EPR of Mn2+ and XRD. Nanoscale Research Letters // A, 11, 517(6 pages). doi: 10.1186/s11671-016-1739-4

7. Vorona, I.P., Nosenko, V.V., Baran, N.P., Ishchenko, S.S., Lemishko, S.V., Zatovsky, I.V., Strutynska, N.Yu. (2016). EPR study of radiation-induced defects in carbonate-containing hydroxyapatite annealed at high temperature. Radiation Measurements // A, 87, 49-55. doi: 10.1016/j.radmeas.2016.02.020

8. Nosenko, V.V., Yaremko, A.M., Dzhagan, V.M., Vorona, I.P., Romanyuk, Yu.A., Zatovsky, I.V. (2016). Nature of some features in Raman spectra of hydroxyapatite-containing materials. Journal of Raman Spectroscopy // A, 47, 726–730. doi: 10.1002/jrs.4883

9. Nosenko, V., Strutynska, N., Vorona, I., Zatovsky, I., Dzhagan, V., Lemishko, S., Epple, M., Prymak, O., Baran, N., Ishchenko, S., Slobodyanik, N., Prylutskyy, Yu., Klyui, N., Temchenko, V. (2015). Structure of Biocompatible Coatings Produced from Hydroxyapatite Nanoparticles by Detonation Spraying. Nanoscale Research Letters // A, 10, 464(7 pages). doi: 10.1186/s11671-015-1160-4

10. Nosenko, V.V., Vorona, I.P., Baran, N.P., Ishchenko, S.S., Vysotskyi, B.V., Krakhmalnaya, T.V., Semenov, Yu.A. (2015). Comparative EPR study CO2- radicals in modern and fossil tooth enamel, Radiation Measurements // A, 78, 53-57. doi: 10.1016/j.radmeas.2014.09.004

11. Nosenko, V., Rudko, G., Fediv, V., Savchuk, A., Gule, E., Vorona, I. (2014). Retardation of nanoparticles growth by doping. Nanoscale Research Letters // A, 9, 683 (5 pages). doi: 10.1186/1556-276X-9-683

12. Nosenko, V.V., Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Baran, N.P., Zatovsky, I.V., Gorodilova, N.A., Povarchuk, V.Yu. (2012). Effect of pre-annealing on NO32− centers in synthetic hydroxyapatite. Radiation Measurements // A, 47, 970-973. doi: 10.1016/j.radmeas.2012.08.008

13. Ishchenko, S.S., Vorona, I.P., Okulov, S.M., Baran, N.P., Rudko, V.V. (2011). ENDOR study of CO2− radicals in hydroxyapatite of γ-irradiated bone. Radiation Measurements // A, 46, 37-39. doi: 10.1016/j.radmeas.2010.07.025

14. Vorona, I., Nosenko, V., Okulov, S., Savchenko, D., Petrenko, T., Stara, T., Labbé, C., Borkovska, L. (2022). EPR Study of the Mn-Doped Magnesium Titanate Ceramics. ECS Journal of Solid State Science and Technology // A, 11, 013005. doi: 10.1149/2162-8777/ac4a80

15. Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Okulov, S.M., Nosenko, V.V. (2020). Some features of Mn2+ EPR spectra in cubic nano-ZnS. Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics // A, 23, 60-65. doi: 10.15407/spqeo23.01.060

16. Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Grachev, V.G., Baran, N.P., Okulov, S.M., Nosenko, V.V., Selishchev, A.V. (2019). EPR of Mn2+ in Nano-Sized Zinc Sulfide with Planar Lattice Defect. Journal of Applied Spectroscopy // A, 89, 146-150. doi: 10.1007/s10812-019-00792-7

Vorona, I.P., Grachev, V.G., Ishchenko, S.S., Baran, N.P., Bacherikov, Yu.Yu., Zhuk, A.G., Nosenko, V.V. (2016). Crystal Structure Determination of Low-Dimensional ZnS Powders Using EPR of Mn2+ Ions. Journal of Applied Spectroscopy // A, 83, 51-55. doi: 10.1007/s10812-016-0241-1

18. Strutynska, N., Slobodyanik, N., Malyshenko, A., Zatovsky, I., Vorona, I., Prylutskyy, Yu., Prymak, O., Baran, N., Ishchenko, S., Nosenko, V. (2015). Synthesis, characterization and EPR investigation of γ-induced defects for nanoparticals of (MI, CO3)-containing (MI – Na, K) apatites. Solid State Phenomena // A, 230, 133-139. doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.230.133;

19. Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Baran, N.P., Nosenko, V.V., Zatovsky, I.V., Malyshenko, A.I., Povarchuk, V.Yu. (2013). Radiation-induced defects in annealed carbonate-containing hydroxyapatite. Physics of the Solid State// A, 55, 2543-2548. doi: 10.1134/S1063783413120329

20. Baran, N.P., Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Nosenko, V.V., Zatovsky, I.V., Gorodilova, N.A., Povarchuk, V.Yu. (2011). NO32 and СО2 centers in synthetic hydroxyapatite: Features of the formation under γ- and UV-irradiation. Physics of the Solid State // A, 53, 1891-1894. doi: 10.1134/S106378341109006X

21. Vorona, I.P., Ishchenko, S.S., Baran, N.P., Rudko, V.V., Zatovsky, I.V., Gorodilova, N.A., Povarchuk, V.Yu. (2010). NO32− centers in synthetic hydroxyapatite. Physics of the Solid State // A, 52, 2364-2368. doi: 10.1134/S1063783410110235

22. Nosenko, V., Korsunska, N., Vorona, I., Stara, T., Bondarenko, V., Melnichuk, O., Melnichuk, L., Kryvko, A., Markevich, I. (2020). The mechanism of formation of interface barriers in ZnO:Mn ceramics. SN Applied Sciences // A, 2, 979. doi: 10.1007/s42452-020-2754-8;

23. Strutynska, N., Slobodyanik, N., Malyshenko, A., Zatovsky, I., Vorona, I., Epple, M., Prymak, O., Baran, N., Ishchenko, S., Nosenko, V. (2014). Synthesis, characterization and EPR investigation of γ-induced defects for nanoparticals of (MI, CO3)-containing (MI – Na, K) apatites. International Conference on Oxide Materials for Electronic Engineering - Fabrication, Properties and Applications, OMEE 2014 - Book of Conference Proceedings // A, 75–76. doi: 10.1109/OMEE.2014.6912346

24. Rudko, G.Yu., Fediv, V.I., Savchuk, А.I., Gule, E.G., Vorona, I.P., Nosenko, V.V. Nucleation and growth kinetics of colloidal nanoparticles CdS:Mn in aqueous solution of polyvinyl alcohol. (2014). Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics // Б, 17, 222-226;

25. Затовський, І.В., Ворона, І.П., Малишенко, А.І., Слободяник, М.С., Іщенко, С.С., Баран, М.П., Носенко, В.В. (2013). γ- й УФ-індуковні парамагнітні центри у відпаленому синтетичному гідроксіапатиті. Доповiдi Нацiональної академiї наук України // Б, 6, 127-132.

Читати повністю

Схожі дисертації

0424U000081

Чурілов Ігор Георгійович

Особливості термічного впливу на морфологічні зміни і механізм утворення рідкої фази у конденсованих однокомпонентних плівках (Pb, Sn, In, Bi) та у бінарних шаруватих плівках (Bi/Sn, Pb/Sn, Pb/In)

0424U000065

Мазур Дмитро Вікторович

Особливостi рентґенiвських спектрiв поглинання та магнiтного циркулярного дихроїзму оксиґенвмiсних сполук на основi металiв 4-го перiоду

0523U100214

Олійник Сергій Володимирович

Фізичні основи формування електричних та фотоелектричних властивостей кристалів AIIBVI і електричних властивостей багатокомпонентних покриттів

0522U100045

Богданов Євген Іванович

Ефекти азимутальної асиметрії розсіяння випромінення у кристалах та новітні можливості дифузнодинамічної дифрактометрії

0522U100002

Владимирський Ігор Анатолійович

Термодифузійні структурно-фазові зміни в гетерогенних системах на основі магнітних і немагнітних наношарів