ИСТИНА

Ориентированные массивы нанотрубок анодного оксида титана зарекомендовали себя в качестве эффективных фотокатализаторов для окисления различных органических веществ. Необходимо отметить, что дальнейшее повышение их фотокаталитической активности возможно при создании фотонно-кристаллических структур из оксида титана, в которых наблюдается эффект «медленного света» или «медленных фотонов» (slow photon effect). Фотоны с определённой частотой распространяются в таких структурах со значительно меньшей скоростью, чем в такой же среде без фотонно-кристаллической структуры. Эффект медленного света обеспечивает более эффективное взаимодействие света и вещества, что повышает фотокаталитическую активность материала. Наибольшее увеличение фотокаталитической активности достигается при совпадении длины волны (в вакууме) медленных фотонов и полосы поглощения окисляемого вещества. Однако, в настоящее время отсутствует простой, масштабируемый и точный метод получения фотонных кристаллов на основе пористых плёнок кристаллического оксида титана с заданными оптическими свойствами, что существенно затрудняет как получение более сложных структур, таких как оптические микрорезонаторы, так и исследование влияния эффекта “медленного света” на фотокаталитическую активность. Проект направлен на разработку воспроизводимого метода создания одномерных фотонных кристаллов и оптических микрорезонаторов в виде пористых плёнок на основе кристаллического диоксида титана, проявляющих высокую фотокаталитическую активность за счёт эффекта “медленного света”. В ходе выполнения проекта будет разработана методика получения одномерных фотонных кристаллов на основе кристаллического оксида титана, включающая в себя анодирование титана при модулированном напряжении в зависимости от длины оптического пути формирующейся структуры и последующий отжиг образцов. Предложенная методика позволит с высокой точностью контролировать пористую структуру кристаллического материала. Будет найдена взаимосвязь между фотокаталитическими свойствами фотонных кристаллов на основе закристаллизованных плёнок анодного оксида титана и положением их фотонной запрещённой зоны относительно максимума поглощения вещества, подвергнутого окислению. Впервые в мире будут получены оптические микрорезонаторы на основе закристаллизованных плёнок анодного оксида титана и исследованы их фотокаталитические свойства. В таких структурах эффект “медленных фотонов” особенно сильно выражен, что должно существенно повысить фотокаталитическую активность таких материалов.

Oriented arrays of nanotubes of anodic titanium oxide are effective photocatalysts for the oxidation of various organic substances. It should be noted that a further increase of their photocatalytic activity is possible in case of creation of photonic crystal structures from titanium oxide. The effect of “slow light” or “slow photon” is observed in these materials. Photons with a certain frequency propagate in such structures at a much lower speed than in the same medium without a photonic crystal structure. The effect of slow light provides a more efficient interaction of light and matter, which increases the photocatalytic activity of the material. The greatest increase in photocatalytic activity is achieved when the wavelength (in vacuum) of the slow photons and the absorption band of the oxidized substance coincide. However, currently there is no simple, scalable and accurate method for producing of photonic crystals based on porous films of crystalline titanium oxide with desired optical properties. It makes it difficult to obtain more complex structures, such as optical microcavities, and to study the influence of the slow photon effect on photocatalytic activity. The project aims to develop a reproducible method for creating of one-dimensional photonic crystals and optical microcavities based on the of porous films of crystalline titanium dioxide, which exhibit high photocatalytic activity due to the “slow light” effect. During the course of the project, a technique for producing of one-dimensional photonic crystals based on crystalline titanium oxide will be developed. The method includes anodizing titanium at a modulated voltage depending on the optical path length of the formed structure and subsequent annealing of the samples. The proposed method will allow with high accuracy to control the porous structure of the crystalline material. A relationship between the photocatalytic properties of photonic crystals based on crystallized films of anodic titanium oxide and the position of their photonic band gap relative to the absorption maximum of the oxidized substance will be found. For the first time, optical microcavities based on crystallized films of anodic titanium oxide will be obtained and their photocatalytic properties will be studied. In such structures, the effect of “slow photons” is especially pronounced, which should significantly increase the photocatalytic activity of such materials.

Ожидаемые результаты носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Будут получены высокоэффективные фотокатализаторы на основе пористых плёнок TiO2, использующие эффект «медленного света». В ходе выполнения проекта будет разработана методика получения фотонно-кристаллических структур на основе кристаллического оксида титана, позволяющая с высокой точностью контролировать пористую структуру кристаллического материала. Полученная методика может быть использована в дальнейшем для оптимизации структуры и оптических свойств фотонных кристаллов и микрорезонаторов для окисления различных органических соединений в процессах очистки воды и воздуха, а также для других применений пористых полупроводниковых фотонно-кристаллических структур. Впервые в мире будут получены оптические микрорезонаторы на основе закристаллизованных плёнок анодного оксида титана и исследованы их фотокаталитические свойства. Экспериментально найденная зависимость фотокаталитической активности фотонно-кристаллических структур от положения характеристического пика относительно максимума поглощения органического вещества и добротности (в случае микрорезонаторов) расширит данные о влиянии эффекта «медленного света» на фотокатализ. По результатам выполнения проекта будут опубликованы не менее 4 статей в престижных международных журналах (таких как J. Materials Chemistry C, J. Physical Chemistry C, Scripta Materialia, Nanotechnology, Materials Letters).

Творческий коллектив проекта обладает как опытом синтеза пористых плёнок анодного оксида титана и алюминия, фотонных кристаллов на их основе, так и большим заделом в области получения и исследования фотонных кристаллов на основе прямых и инвертированных опалов. Коллективом был создан значительный методический задел, который будет использоваться при реализации данного проекта: • Методика определения толщины и эффективного показателя преломления анодных оксидов вентильных металлов (алюминий, титан и др.) основанная на анализе осцилляций Фабри-Перо на оптических спектрах. • Режим анодирования с модуляцией напряжения в зависимости от плотности заряда анодирования U(q), позволяющий с высокой точностью контролировать морфологию пористой структуры оксидов вентильных металлов по толщине плёнки. • Модель растравливания пор анодных оксидов алюминия и титана, а также основанный на этих моделях режим анодирования U(L), в котором модуляция напряжения происходит в зависимости от длины оптического пути света в плёнке, позволяющие с высокой точностью задавать положение фотонной запрещённой зоны. • Методики синтеза различных фотонно-кристаллических структур на основе анодного оксида алюминия, включая оптические микрорезонаторы с добротностью более 200 [результаты выполнения проекта РФФИ 17-03-01369 под руководством Кушнира С.Е. за 2018 г.]. • Методика определения пористости и показателя преломления стенок пор плёнок анодных оксидов вентильных металлов. • Методика автоматизированной обработки изображений растровой электронной микроскопии для построения распределения диаметра пор и расстояний между соседними порами в плёнках анодных оксидов [http://www.eng.fnm.msu.ru/software/].