Лаборатория фундаментальных проблем электрофизики органических материалов и наноструктур

Заведующий лабораторией:д.х.н. Виноградов Георгий Алексеевич

Телефон отдела:—

Почта:—

Комната:—

Лаборатория фундаментальных проблем электрофизики   органических материалов и наноструктур входит в состав отдела со времени его основания в 1986 г. Первым руководителем лаборатории был известный физик-теоретик Виктор Андреевич Онищук  (1938-2002). В.А. Онищук – автор первоклассных работ по физике неупорядоченных систем – был человеком замечательных душевных качеств и  настоящим эрудитом в самых разных областях физики. Он пользовался огромным авторитетом и уважением коллег. С 2003 г. лабораторию возглавляет д.х.н. Г.А. Виноградов.

Тематика лаборатории весьма разнообразна и включает как теоретические, так и экспериментальные исследования. Основными научными направлениями лаборатории в теоретических исследованиях являются: изучение электронного строения сильнокоррелированных электронных систем, в том числе пониженной размерности; исследование нелинейных оптических и электрофизических свойств проводящих полимеров; получение и анализ точно решаемых моделей физики конденсированного состояния и статистической физики; исследование структуры, механических и электронных свойств углеродных и элементоорганических нанотруб и нанопроводов; выяснение механизмов электро- и теплопроводности искусственных и природных полимеров; на основе композитных пористых электродов; теоретическое исследование электропроводности и гальваномагнитных свойств композитных материалов.

Традиционно большое место в работах лаборатории занимают разработки новых подходов к изучению электронных свойств низкоразмерных систем с сильной электронной корреляцией, включающих высокотемпературные сверхпроводники, новые магнитные материалы, проводящие полимеры и другие объекты. На основе этих исследований был предсказан ряд новых физических эффектов в таких системах, в частности, гигантский диамагнетизм в углеродных нанотрубках, необычное поведение кривой намагниченности в квазиодномерных магнетиках, нелинейный эффект Холла в неоднородной проводящей среде. Было проведено детальное изучение квантовых магнетиков на основе меднооксидных соединений с геометрически фрустрированной структурой и магнитных молекул с конкурирующими обменными взаимодействиями. Эти системы обладают уникальными магнитными характеристиками и имеют большое прикладное значение для спинтроники,  в качестве элементов памяти квантовых компьютеров и наноустройств.

Важное место в тематике лаборатории занимает исследование нелинейных динамических явлений и влияние ангармонизма на механизмы различных процессов. В частности, было предсказано, а затем и экспериментально обнаружено явление локализации колебательных возбуждений на валентных связях в многоатомных молекулах и молекулярных кристаллах. По материалам этих исследований была опубликована монография А.А. Овчинникова, Н.С. Эрихмана и К.А. Пронина "Vibrational-Rotational Excitations in Nonlinear Molecular Systems" (Plenum Press), ставшая настольной книгой для специалистов в области молекулярной спектроскопии.
Сотрудники лаборатории фундаментальных проблем электрофизики органических материалов и наноструктур (2019 год). Сидят (слева направо): гл.н.с., д.ф.-м.н. Татьяна Стахиевна Журавлева; зав. лаб., д.ф.-м.н. Георгий Алексеевич Виноградов; гл.н.с., д.ф.-м.н. Борис Яковлевич Балагуров; зав. отделом, д.ф.-м.н. Валерий Яковлевич Кривнов; стоят (слева направо): с.н.с., к.х.н Инна Валерьевна Клименко; с.н.с., к.х.н. Елена Павловна Криничная; с.н.с.. к.ф.-м.н. Борис Михайлович Румянцев; с.н.с., к.ф.-м.н. Кирилл Александрович Пронин; с.н.с., к.ф.-м.н. Елена Николаевна Тимохина; с.н.с., к.ф.-м.н. Николай Сергеевич Эрихман; гл.н.с., д.ф.-м.н. Антон Владимирович Забродин; с.н.с., к.ф.-м.н. Вадим Владимирович Атражев, с.н.с., к.х.н. Татьяна Юрьевна Астахова.

Другим проявлением нелинейного характера взаимодействия является существование специфических локальных устойчивых возбуждений, – солитонов и бризеров. Выяснено, что эти квазичастицы играют существенную роль в тепло- и электропроводности, являясь переносчиками энергии и заряда в синтетических полимерах и ДНК.

В результате многолетних исследований была построена последовательная макроскопическая теории электромагнитных свойств бинарных композитных материалов. Эта теория объясняет проводимость, термоэлектрические и гальваномагнитные свойства двухкомпонентных систем. Результатом этих исследований стало публикация Б.Я. Балагуровым монографий "Электрофизические свойства композитов. Макроскопическая теория" и "Теория явлений переноса в композитах. Проводимость, термоэлектрические и гальваномагнитные свойства".

Прогресс в области современной  электроники в значительной степени связан с переходом на наноразмерные масштабы. В этой связи возникают вопросы о применимости законов термодинамики к нанообъектам с конечным числом частиц. Этот важная методическая проблема рассматривалась в работах сотрудников группы Г.А. Виноградова. Ими на некоторых примерах было показано, что термодинамические законы оказываются справедливыми вплоть до числа частиц N~100. В работах этой группы также рассматривались вопросы о соответствии результатов молекулярной и квантовой динамики. В частности, выяснено различие в каноническом и микроканоническом подходах в молекулярно-динамических расчетах; показано, что квантование  потенциала не приводит к изменению вычисляемых значений по сравнению с классическим описанием.

Значительное место в теоретических исследованиях лаборатории занимает моделирование процессов переноса в электрохимических источниках тока, включая кислородно-водородные топливные элементы как на основе полимерных так и твердых электролитов. На основе этих разработок были предложены математические модели, которые предсказывают производительность и долговечность электрохимических источников тока в зависимости от микроструктуры электродов и операционных условий. Также были получены фундаментальные результаты, важные для описания механических и транспортных свойств аморфно-кристаллических полимеров. Полученные результаты были опубликованы в ведущих международных журналах и получили высокую оценку специалистов.

Монографии главного научного сотрудника, доктора физико-математических наук Бориса Яковлевича Балагурова (2018-2019 г.г.)

При решении некоторых задач квантовой механики приходится привлекать состояния непрерывного спектра, что часто является серьезной математической проблемой. Б.Я. Балагуров развил новый эффективный подход решения квантово-механических задач, не требующий знания состояний непрерывного спектра. Им опубликована монография "Квантование потенциала в уравнении Шредингера",  в которой сформулированы основные идеи развиваемого метода, проиллюстрированные некоторыми характерными примерами. Фундаментальные исследования в физике многочастичных систем в последнее время посвящены решению принципиально важной задачи о квантово-классической дуальности. Она состоит в выяснении связи между классическими (Ньютон) и квантовыми (Шредингер) уравнениями. Для некоторых систем (квантовая модель Годена и классическая интегрируемая система частиц Калоджеро-Мозера) это соответствие точно доказано.

Другим фундаментальным направлением является изучение механизмов формирования сложных структур на границах раздела фаз. Эти процессы происходят при  диффузионно-контролируемом контроле. Важный класс таких процессов известен как задачи лапласовского роста. Помимо теоретического значения, решение этих проблем имеет непосредственное отношение к, например, движению переднего фронта движущейся в нефтепроводе нефти.

Старшие научные сотрудники лаборатории (слева направо): к.ф.-м.н. Николай Сергеевич Эрихмани  и к.ф.-м.н. Вадим Владимирович Атражев (2019 год).

Экспериментальные исследования в лаборатории проводятся группой под руководством д.ф.-м.н. Татьяны Стахиевны Журавлевой. Основным направлением этих исследований является изучение электрофизических свойств и структуры новых материалов, представляющих общенаучный интерес и важных с точки зрения возможности практического использования.  К таким материалам относятся, например, двухмерные слоистые дихалкогениды металлов шестой группы, которые по своему строению подобны графену, но более перспективны для применения в различных областях электроники. Синтез всех исследуемых соединений осуществлялся по новым или усовершенствованным методикам. В полимерных композитах с наночастицами неорганических и органических полупроводников ранее были обнаружены необычные свойства, которые вызывают большой интерес, но природа этих явлений была недостаточно изучена и понятна. Исследование влияние природы и содержания наполнителей, а так же толщины пленок нанокомпозитов  позволило установить определенные закономерности между структурой и свойствами систем. Изучение внешних воздействий (температура, фото облучение, магнитное поле) оказалось очень полезным при определении механизмов генерации фото- и термостимулированных токов в разных полимерных матрицах и р-n гетероструктурах на их основе. Одним из интересных объектов экспериментальных исследований являются биологически совместимые супрамолекулярные системы с добавками. Исследование их спектральных характеристик  является важным для создания новых лекарственных средств, применяемых при фотодинамической и борнейтронозахватной терапии.

Сотрудники группы доктора физико-математических наук Т.С. Журавлевой (2019 год). Слева направо: с.н.с., к.ф.-м.н. Инна Валерьевна Клименко; гл.н.с., д.ф.-м.н. Татьяна Стахиевна  Журавлева; с.н.с., к.ф.-м.н. Елена Павловна Криничная.

Среди основных достижений лаборатории в экспериментальных исследованиях необходимо выделить следующие результаты:

- Для новых пленок нанодисперсного MoS2, интеркалированного разными соединениями, выявлены системы со значительным увеличением проводимости. Установлено, что транспорт зарядов (а не генерация) является лимитирующим процессом для величины фототока.

- Обнаружено немонотонное увеличение темновой и фотопроводимости на несколько порядков при возрастании содержания наполнителя в пленках нанокомпозитов поли-п-ксилилен–CdS. Величина критической концентрации С0, соответствующая максимальной проводимости, зависит от толщины пленок. Установлено, что наблюдаемый характер концентрационной зависимости проводимостей обусловлен и коррелирует со структурными изменениями полимерной матрицы и наночастиц.

- Для полиимидов с донорно-акцепторными фрагментами в цепи определен механизм генерации фото- и термостимулированных токов через образование возбужденного КПЗ; для полимерных p-n гетероструктур выявлено влияние на фотоэлектрическую чувствительность природы интерфейса и добавок магнитных наночастиц (Cu-Ni, магнетит).

- В композитах на основе полиимидов с микрокристаллами рубрена обнаружено влияние наночастиц Cu-Ni на слабопольный спиновый магнитный эффект, регистрируемый по выходу фотопроцессов и обусловленный контактным взаимодействием частично поляризованных триплетных экситонов (спин 1) или заряженных носителей (спин ½) микрокристаллов с поверхностью наночастиц.

- Для производных хлорофилла с различными добавками установлена зависимость спектральных свойств системы от природы и количества фото - и редокс - активных соединений, которые определяют образование молекулярных комплексов и фотохимическую активность фотосенсибилизатора. Это необходимо учитывать при создании лекарственных препаратов с прогнозированной фотодинамической активностью.

Сотрудники лаборатории принимают активное участие в конференциях, институтских конкурсах научных работ им. Елены Борисовны Бурлаковой и всегда занимают призовые места. В частности, на конкурсе научных работ 2018 года работа д.ф.-м.н. В.Я. Кривнова, к.ф.-м.н. Д.В. Дмитриева «Спиновые системы с конкурирующими обменными взаимодействиями и молекулярный магнетизм» и работа д.ф.-м.н. Г.А. Виноградова, к.ф.-м.н. Т.Ю. Астаховой «Полярон как генератор когерентных колебаний решетки» получили, соответственно, вторую и третью премии