Нейтронография поверхностей и слоистых структурНИР

Neutron diffraction of surfaces and layered structures

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2012 г.-31 декабря 2013 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:
4 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа: Исследование магнитных эффектов близости методом рефлектометрии поляризованных нейтронов Рост магнитного момента при понижении ниже температуры сверхпроводящего перехода был обнаружен в S/F бислоях состава V(40нм)/F (F = Fe(1, 3 нм), Co(3 нм), Ni(3 нм)). Аналогичный эффект (парамагнитный эффект Мейснера) наблюдался ранее в различных сверхпроводниках и сверхпроводяще-ферромагнитных системах. Для того чтобы объяснить данный эффект была предложена модель, основывающаяся на слое сверхпроводящих вихрей расположенных вблизи S/F границы раздела. Магнитный отклик сверхпроводника в данном случае состоит из парамагнитного вклада от слоя вихрей и диамагнитного вклада от остальной части сверхпроводящего слоя. Поскольку толщина сверхпроводяшего слоя много меньше глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник, диамагнитный вклад понижен. Предложенная модель учитывает знак и величину эффекта, а также зависимость эффекта от приложенного магнитного поля. In situ нейтронное дифракционное изучение литий-ионного аккумулятора Продолжена работа по сбору специальных электрохимических ячеек для in situ нейтронного структурного анализа процессов, происходящих во время работы литий-ионных аккумуляторов. Отработана методика изготовления электродов на основе коммерческого катодного материала LiNi0.8Co0.15Al0.05O2. С использованием изготовленных нами электродов LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 и коммерческих графитовых электродов были собраны ячейки, отработавшие 700 циклов заряда-разряда с потерей ёмкости 1/3 от начального значения. Результаты работы были представлены на конференциях: 1. Bobrikov I.A., Ivanshina O.Yu, Samoylova N.Yu, Sumnikov S.V., Balagurov A.M. New electrochemical cells for operando neutron diffraction study of Li-ion electrode materials // XIV Международная конференции "Актуальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах”. 2016. Суздаль. 2. Бобриков И.А., Иваньшина О.Ю., Сумников С.В., Самойлова Н.Ю., Балагуров Д.А., Балагуров А.М. Использование специальных электрохимических ячеек для исследований процессов в электродах литий-ионных аккумуляторов // Первый Российский Кристаллографический Конгресс. 2016. Москва. Проведено operando нейтронное дифракционное исследование коммерческого аккумулятора типа 18650 с графитовым анодом и катодом на основе LiNi0.8Co0.15Al0.05O2. Установлено, что в графитовом аноде аккумулятора образование при заряде нескольких фаз LixC6 происходит ожидаемым образом. Для разных режимов заряда отличия касаются, прежде всего, доли конечной фазы LiC6 в материале анода. Как и следовало ожидать, при наиболее глубоком заряде аккумулятора в режиме CC/CV (постоянный ток/постоянное напряжение) при 100% SOC (степени заряда, state of charge) преобладающей является максимально насыщенная фаза LiC6, хотя все еще присутствует некоторое количество фазы Li0.5C6 (далее используем обозначение LiC12). При скорости заряда С/10, но без дозаряда в потенциостатическом режиме, фаза LiC6 также является преобладающей, но ее объем относительно фазы LiC12 уменьшается на ~10%. При более быстром заряде аккумулятора постоянным током со скоростью С/3 объем фазы LiC6 относительно объема фазы LiC12 при максимальном заряде аккумулятора уменьшается еще в 7 раз. Представлено изменение положения дифракционных пиков (003) и (101) катодного материала в ходе заряда-разряда батареи на высокой скорости. Поведение этих рефлексов совпадает с зависимостями параметров элементарной ячейки соответственно с и а (a=b, пространственная группа R-3m) материала катода от концентрации лития (линейное сжатие в базисной плоскости и удлинение-сжатие осевого параметра при заряде). Их объяснение базируется на учете нескольких факторов, включающих изменения в зарядовом состоянии катиона в октаэдрах MeO6, в электростатических силах между слоями кислорода и в среднем эффективном заряде кислородных слоев. Необычное поведение параметров элементарной ячейки катодного материала при высокой степени делитирования катодного материала, отраженное в резком падении величины d003 в области, близкой к 100% SOC, мы связываем с «включением» взаимодействия ван дер Ваальса между соседними кислородными плоскостями по мере уменьшения содержания лития в пространстве между ними. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-12-00896, руководитель Балагуров А.М.) в ЛНФ ОИЯИ. Нейтронные эксперименты проведены на реакторе ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна).
5 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа: I. Исследование эффектов близости в магнитных и сверхпроводящих гетероструктурах методом нейтронного рассеяния. Предложен новый дизайн нейтронных резонаторов основанный на чисто магнитном контрасте. По сравнению с классическими ядерно-контрастными резонаторами, магнитные резонаторы обеспечивают очень хорошую селективность по глубине различных резонансных мод. Данная чувствительность может найти применение в нейтронных экспериментах на различных многослойных системах, включая особенно спинтронные приборы с небольшой наведенной спиновой поляризацией.В качестве экспериментального примера мы приводим данные для Au(24nm)/La0.7Sr0.3MnO3(53nm)/SrRuO3(50nm)//NdGaO3 структуры, исследованной на рефлектометре NREX. При помощи покрытия структуры слоем золота мы создали резонаторную структуру, в которой первый и второй пики в спин-флип рассеянии чувствительны к магнитному состоянию соответственно манганита и рутената. В эксперименте наблюдалась подавление второго пика ниже 130К, что связывается нами с появлением магнитного момента 0.34 mB/Ru в слое рутената. II. Исследование литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) с помощью дифракции нейтронов. В составе специально разработанных электрохимических ячеек методом дифракции нейтронов исследовано фазово-расслоенное состояние катодного материала LixNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA) в первом электрохимическом цикле в зависимости от степени каландрирования катода. Установлено, что увеличение степени каландрирования катода уменьшает выраженность фазового расслоения катодного материала, сокращает интервал сосуществования двухфазного состояния, уменьшает различие между структурными характеристиками этих фаз. Высказано предположение, что наблюдаемое в первом цикла заряда электрода фазовое расслоения NCA связанно с микроструктурными особенностями катодного материала.
6 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа: 1. Исследование эффектов близости в магнитных и сверхпроводящих гетероструктур методом нейтронного рассеяния Проведено комплексное исследование структурных, магнитных и сверхпроводящих свойств Nb(25нм)/Gd(х)/Nb(25нм) гибридных сверхпроводяще-ферромагнитных структур с толщинами гадолиниевых слоев х = 0.86нм. Структурная характеризация образцов, включающая прецезионное измерение толщин слоев была проведена при помощи нейтронного и рентгеновского рассеяния с привлечением масс-спектрометрии. Магнитные свойства систем были исследованы при помощи СКВИД магнитометрии и рефлектометрии поляризованных нейтронов. Было установлено что все образцы, включая самый тонкий Gd слой х = 0.8нм обладают магнитным моментом. Анализ нейтронной спиновой асимметрии также позволил установить отсутствие магнито-мертвого слоя на границе гадолиния и ниобия. Измеренная зависимость температуры сверхпроводящего перехода Tc(x) имеет затухающе-осциллирующий характер с минимумом вблизи х = 3нм и последующим максимумом х=4нм. Анализ данной кривой, проведенной в рамках теории Узаделя позволил установить что данные системы характеризуются очень прозрачными для сверхпроводящих пар Gd/Nb интерфейсами с кореляционной длиной F  4нм. 2. Исследование атомного упорядочения в сплавах Fe-19Ga и Fe-19Ga-Tb. Методом дифракции нейтронов исследованы процессы атомного разупорядочения/упорядочения D03 фазы в процессе нагрева/охлаждения в сплавах Fe-19Ga Fe-19Ga-Tb. Определено, что при нагреве выше 400ºС сплав Fe-19Ga переходит из упорядоченной фазы D03 в фазу A2 и обратно при медленном охлаждении. Допирование тербием смещает температуру атомного упорядочивания/разупорядочивания в сторону больших температур (550ºС при нагреве и 500 ºС при охлаждении).
7 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа: 1. Проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование структурных, магнитных и сверхпроводящих свойств гибридных сверхпроводяще-ферромагнитных структур сверхрешеток на основе гадолиния, кобальта и ниобия. Наблюден магнитный эффект близости в Gd/Nb сверхрешетке. Предложен дизайн спинового переключателя для на основе Co/Nb сверхпроводяще-ферромагнитной сверхрешетки. 2.Методом рефлектометрии поляризованных нейтронов исследовалось магнитный профиль сверхрешетки, состоящей из ферромагнитных Gd и сверхппроводящих Nb слоев. Было наблюдено частичное подавление ферромагнитного параметра порядка гадолиниевых слоев в [Gd(х)/Nb(25nm)]х12 сверхрешетках ниже температуры сверхпроводящего перехода слоев ниобия. Найдено, что величина эффекта обратно пропорциональна толщине слоев гадолиния. Анализ данных указывает на то, что природа данного магнитного эффекта близости имеет электромагнитный характер – обменно связанные слои ниобия, выталкивают внешнее магнитное поле и тем самым подавляют магнитный отклик гадолиниевых слоев. Наше исследование демонстрирует значительное влияние электромагнитных эффектов на магнитные свойства S/F-систем. 3.Методом дифракции нейтронов исследованы процессы гидратации модельной липидной мембраны в водных растворах DMSO и мочевины. Наблюден эффект уменьшения периода повторяемости мембраны и замедление процесса ее гидратации при высоких молярных концентрациях мочевины и DMSO. 4.Структура и микроструктура сплавов Fe-xAl-yCr с x=25, 27 и 0 ≤ y≤15 была исследована методом нейтронной дифракции при нескольких фиксированных температурах с высоким разрешением Δd/d и с высокоинтенсивным непрерывным сканированием в широком диапазоне температур. Совместный анализ полученных данных показал, что микроструктура этих соединений организована в виде наноразмерных кластеров с упорядоченной атомной структурой, когерентно встроенных в неупорядоченную (или менее упорядоченную) матрицу. В закаленных образцах матрица представляет собой неупорядоченную фазу A2 с кластерами частично упорядоченной фазы B2, тогда как в отожженных образцах, кластеры упорядоченной фазы D03 дисперсно распределены в матрице B2. Характерный размер кластеров зависит от состояния сплава, содержания хрома и температуры и колеблется в пределах от 100 до 1000 Å. Для матрицы размер области когерентного рассеяния превышает 3500 Å. 5.Методом дифракции нейтронов исследованы кристаллические структуры сплавов Fe-xGa, 9<x<33 приготовленных с разными скоростями охлаждения (медленное охлаждение в печи, закалка на воздухе и в воде). Получены зависимости параметров решетки от концентрации Ga, степени упорядочения и скорости охлаждения. Определены первая и вторая критические скорости охлаждения, определяющие начало и конец формирования равновесной L12 фазы.
8 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:
9 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:
10 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Нейтронография поверхностей и слоистых структур
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".