В отчетный период решались следующие задачи и получены следующие основные результаты.
По направлению 1 «Преобразование солнечной энергии в «солнечное топливо».
Были отработаны методики формирования монокомпонентных и гетероструктурных фотоэлектродов для их применения в тандемных фотоэлектрохимических системах и проведены исследования по определению их ключевых физико-химических и электрофизических характеристик. Показано, что созданные электроды на основе гетероструктур проявляют активность в видимой области солнечного спектра, что делает их перспективными элементами в системах для преобразования солнечной энергии в «солнечное топливо». Вместе с тем, показано, что для установления необходимого баланса между анодными и катодными процессами необходима оптимизация толщины слоя и морфологии поверхности материалов электродов. Также показано, что необходимый баланс может быть достигнут за счет оптимизации условий фотовозбуждения. Вместе с тем, очевидным достоинством исследованных материалов и гетероструктур на их основе является реализация Z-схемы фотовозбуждения и разделения зарядов без необходимости приложения внешнего потенциала, что позволяет достичь высокой активности системы без энергетических потерь. Очевидная значимость проводимых исследований заключается в возможности применения новых гетероструктурных материалов в технологиях альтернативной солнечной энергетики и защиты окружающей среды.
По направлению 2 «Фундаментальные исследования оптических и люминесцентных характеристик перовскитных материалов для их возможного применения в элементах информационной фотоники».
Разработан новый метод роста монокристаллов галоидных перовскитов, включая низкоразмерные 1D и 2D структуры. Методами низкотемпературной спектроскопии отражения и люминесценции показано существование свободных, слабосвязанных и автолокализованных экситонных состояний в галоидных перовскитах. Установлено, что экситонная излучательная релаксация происходит из слабосвязанных состояний экситонов. Исследования температурных зависимостей экситонной люминесценции позволило оценить энергию связи экситонов, которая превышает 30 мэВ, что делает такие материалы перспективными для применения в экситонных устройствах при комнатной температуре.
Методами оптической и люминесцентной спектроскопии исследовано влияние гетеровалентного допирования на процессы фотостимулированного дефектообразования в галоидных перовскитах и на их экситонную люминесценцию. Установлены корреляции между концентрацией допантов, количеством исходных и фотостимулированных дефектов и люминесцентным откликом. Предложены механизмы фотостимулированного дефектообразования и его влияния на экситонную люминесценцию в галоидных перовскитах.
Синтезированы новые низкоразмерные 1D и 2D перовскитные структуры. Показана определяющая роль органического катиона при формировании той или иной кристаллической структуры. Впервые для гибридных органическо-неорганических материалов получена структура пост-перовскита с высокой степенью анизотропии структуры. Методами низкотемпературной люминесценции показана роль π-системы органических катионов в формировании оптических переходов в низкоразмерных перовскитных структурах. Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени перспективности применения галоидных перовскитов в элементах информационной фотоники.
По направлению 3 «Формирование и исследование функциональных фотоактивных нанопокрытий».
Разработаны методы формирования нанокомпозитных (с допантами) и гетероструктурных покрытий. Показано, что контролируемое изменение гидрофильности покрытий может быть достигнуто за счет формирования гетероструктур с заданным направлением переноса заряда, гидрофильность которых зависит от типа гетероструктуры и заряда, направленного гетеропереходом к поверхности внешнего слоя. Показано, что для гетероструктурных покрытий наиболее эффективными являются гетероструктуры II типа обеспечивающие перенос дырок к поверхности. Также, показана возможность контроля исходной гидрофильности поверхности и ее фотостимулированного изменения за счет изменения электронных свойств материала при допировании. Установлены корреляции между работой выхода (положением уровня Ферми) и гидрофильным состоянием поверхности. Значимость таких исследований определяется возможностью применения таких структур при формировании функциональных покрытий с контролируемой активностью в процессах фотокаталитической очистки воздуха, самоочищения поверхностей и бактерицидной активности покрытий.
По направлению 4 «Проведение фундаментальных исследований механизмов фотопроцессов, приводящих к фотохимической молекулярной трансформации на поверхности гетероструктурных фотоактивных материалов».
Проведены фундаментальные исследования фотостимулированных процессов изменения покрытия адсорбированными молекулами и модельных реакций окисления моноокиси углерода на поверхности фотоактивных оксидов металлов. Установлены основные стадии механизмов фотостимулированной молекулярной трансформации и влияния электронного возбуждения адсорбента на направленность фотопроцессов. Установлены спектральные и температурные зависимости протекания модельных фотопроцессов в гетерогенных системах. Получены модельные фотоактивные материалы на основе диоксида титана и наночастиц серебра, проявляющих эффект локализованного поверхностного плазмонного резонанса для исследования модельных гетерогенных фотопроцессов. Проведение таких фундаментальных исследований, направленных на установление базовых принципов и деталей протекания фотопроцессов, является ключевым фактором для создания новых высокоактивных фотоактивных материалов и развития технологий их применения.
По направлению 5 «Проведение фундаментальных исследований механизмов фотопроцессов, приводящих к многофотонному возбуждению фотоактивных материалов».
Синтезированы серии фотоактивных материалов на основе различных фторидных и оксидных матриц, допированных ионами лантаноидов, демонстрирующих характеристичную люминесценцию. Методами оптической и люминесцентной спектроскопии показано влияние УФ-облучения на спектры поглощения и спектры фото- и апконверсионной люминесценции. Показано, что изменения в спектрах фото- и апконверсионной люминесценции коррелируют с эффективностью процессов фотостимулированного дефектообразования при возбуждении матриц. В частности, показано, что фотостимулированное дефектообразование влияет на изменение и перераспределение интенсивности полос f-f переходов редкоземельных ионов. Предполагается, что такой эффект приведет к возможности управляемого изменения цветности свечения люминесценции. Создание люминофоров с изменяемой цветностью свечения является актуальной задачей при разработке люминесцентных меток и сенсоров.
По направлению 6 «Исследование фотостимулированных процессов в металл-органических каркасных структурах».
Созданы и оптимизированы методы синтеза новых фотоактивных материалов типа металлорганические каркасные структуры топологии MOF-76, на основе ионов металлов всего ряда лантаноидов. Установлены основные характеристики оптического поглощения и люминесценции полученных структур. Определены параметры затухания и значения квантовых выходов люминесценции ионов лантаноидов в металлорганических каркасных структурах. Показано, что возбуждение люминесценции связано, как с возбуждением ионов металлов, так и с возбуждением органических линкеров с последующим переносом энергии. Наблюдаемые в ряду лантаноидов изменения спектров свечения люминесценции могут быть использованы при настройке цветности люминесценции материалов. Создание материалов с контролируемой люминесценцией и изменяемой цветностью свечения и поглощательной способностью является актуальной задачей при разработке люминесцентных источников света и элементов химической сенсорики.