PREPARATION OF BIOCOMPOSITES BASED ON NANOSCALE HYDROXYAPATITE WITH ZIRCONIUM AND SILICON OXIDES

В статье обсуждается возможность получения упрочненного композиционного материала с пористой структурой на основе наноструктурированного гидроксиапатита, синтезированного методом осаждения из раствора. Новый материал получен путем механохимичекого синтеза гидроксиапатита с армирующими добавками диоксида циркония и кремниевой кислоты. Синтезированные образцы аттестованы с использованием современных физико-химических методов анализа. Показано влияние качественного и количественного состава композита на протекание процессов спекания, пористость, прочностные характеристики, степень дисперсности и морфологию исследуемых образцов. Экспериментально установлено, что максимальными прочностными характеристиками и постоянным составом обладает образец Ca(PO)(OH) -15%SiO⋅nHO-5%ZrO. Композиционный материал обладает плотной равномерной структурой с высокой степенью кристалличности, с развитой пористостью, является перспективным материалом для дальнейших исследований с целью внедрения его в медицинскую практику. На разработанный композиционный материал подана заявка на патент. The article discusses the possibility of obtaining a hardened composite material with a porous structure based on nanostructured hydroxyapatite (HAP) synthesized by precipitation from a solution. The new material was obtained by the mechanochemical synthesis of HAP with reinforcing additives of zirconium dioxide and silicic acid. The synthesized samples are certified using modern physicochemical methods of analysis. The influence of the qualitative and quantitative composition of the composite on the sintering processes, porosity, strength characteristics, the degree of dispersion and morphology of the studied samples is shown. It has been experimentally established that the sample has the maximum strength characteristics and a constant composition of Ca(PO)(OH) -15%SiO⋅nHO-5%ZrO. The composite material has a dense uniform structure with a high degree of crystallinity, with a developed porosity, is a promising material for further research in order to introduce it into medical practice. A patent application has been filed for the developed composite material.

OPTICAL PROPERTIES OF AMORPHOUS THIN FILMS OF SODIUM-TUNGSTEN OXIDE BRONZES

В работе измерены спектральные зависимости оптической плотности аморфных тонких пленок оксидной натрий-вольфрамовой бронзы тетрагональной структуры состава NaWO, конденсированной на стеклянные подложки, термостатированные при температурах 373,473 и 573 K, а так же отожженные на воздухе и в вакууме, и электрохромно окрашенных. В качестве исследуемой оптической характеристики была выбрана оптическая плотность D, пропорциональная, как известно, коэффициенту поглощения. Спектральные измерения пленок, осажденных на подложки в диапазоне температур 373,473 и 573 K показали однотипность спектральных характеристик, с пиком экситонного поглощения в ближнем ультрафиолете. Полоса минимального поглощения лежит в диапазоне длин волн 400÷460 нм, а примесного поглощения - широкой полосой в области 650 ÷1000 нм с максимумом в диапазоне 900÷1000 нм. Подобная спектральная характеристика и определяет сине-голубой цвет тонкой пленки на просвет. Изучение оптических свойств тонких пленок натрий-вольфрамовых бронз представляет собой актуальную задачу. The spectral dependences were measured of the optical density of amorphous thin films of sodium-tungsten oxide bronze of the tetragonal structure and the composition NaWO, condensed on glass substrates, thermostated at temperatures of 373, 473 and 573 K, as well as annealed in air vacuum, and electrochromically colored. The optical density D, which is proportional, as is known, to the absorption coefficient, was chosen as the studied optical characteristic. Spectral measurements of films deposited on substrates in the temperature range of 373, 473 and 573 K showed the same type of spectral characteristics, with a peak of the exciton absorption in the near ultraviolet. The band of minimum absorption lies in the wavelength range of 400÷460 nm, while that of the impurity absorption is a wide band in the region of 650÷1000 nm with a maximum in the range of 900÷1000 nm. This spectral characteristic determines the blue-blue color of a thin film in transmission. The study of the optical properties of thin films of sodium-tungsten bronzes is an urgent problem.

CATALYTIC PROPERTIES IN THE HETEROGENEOUS FENTON REACTION OF THE SURFACE OF NANOPOROUS IRON OBTAINED BY ELECTROCHEMICAL DEALOIYNG IN MELTED CHLORIDE MIXTURES

Исследованы образцы частично окисленного микро- и нанопористого железа, полученного методом высокотемпературного деаллоинга железо-марганцевого сплава в солевом расплаве. При помощи электронной микроскопии получены данные о морфологии образцов и составе их поверхности, установлено, что уже после отмывки при комнатной температуре на воздухе образовались оксидные фазы железа в виде вискеров толщиной порядка 10 нм. В ходе получения образцов достигалось количественное удаление марганца из исходного сплава. Оценена каталитическая активность полученных образцов в гетерогенной реакции Фентона по окислению красителя метилового оранжевого пероксидом водорода. На первом этапе протекания реакции, описываемой уравнением реакции первого порядка, ее скорость определялась наиболее активной расходуемой частью образцов, далее реакция переходила в стационарный режим. Более высокой каталитической активностью обладали нанопористые образцы. The samples of partially oxidized micro- and nanoporous iron obtained by high-temperature dealloing of an iron-manganese alloy in a molten salt were investigated. The data concerning the structure of the samples and the composition of their surface were obtained by electron microscopy; it was found that after washing at room temperature in air the oxide phases of iron were formed as whiskers with a thickness of about 10 nm. During the preparation of the samples a quantitative removal of manganese from the initial alloy was achieved. The catalytic activity of the obtained samples in the heterogeneous Fenton reaction was estimated by oxidation of methyl orange by hydrogen peroxide. The rate of the first stage of the reaction, which was described by the first-order equation, was determined by the most active spent part of the samples, and then the reaction passed into the stationary mode. The nanoporous samples possessed a higher catalytic activity.

CORRELATION-SPECTRAL ANALYSIS OF THE TOPOGRAPHY OF ENGINEERING SURFACES AT THE NANOSCALE LEVEL

Исследована нанотопография некоторых типичных технических поверхностей и экспериментально определены характеристики профиля наношероховатости как случайного процесса - автокорреляционная функция и спектральная плотность. Показано, что для исследованных поверхностей их профилограммы могут рассматриваться как реализации случайного стационарного нормального эргодического процесса. Проведена визуальная проверка нормальности процесса сравнением экспериментальных значений ординат профиля с теоретическими значениями, подчиняющимися нормальному распределению, а также сравнением полигона частот с теоретической функцией плотности вероятности нормального распределения. Количественное подтверждение нормальности процесса выполнено с применением критерия согласия Колмогорова. Показано, что на уровне значимости p = 0,05 гипотеза о нормальности случайного процесса (профиля наношероховатости поверхности) не противоречит экспериментальным результатам. Определены интервалы корреляции рассмотренных процессов. Вид автокорреляционных функций и величины интервалов корреляции говорят о случайном характере профиля поверхности: на интервале, равном одному - двум средним значениям шага неровностей профиля его ординаты становятся практически некоррелированными. Графики спектральных плотностей свидетельствуют о том, что профиль поверхности можно рассматривать как широкополосный случайный шум с преобладанием низкочастотных составляющих. The nanotopography of some typical technical surfaces is investigated and the characteristics of the nanoroughness profile as a random process are experimentally determined - the autocorrelation function and spectral density. It is shown that for the investigated surfaces, their profilograms can be considered as realizations of a random stationary normal ergodic process. A visual check of the process normality was carried out by comparing the experimental values of the profile ordinates with theoretical values obeying the normal distribution, as well as by comparing the frequency polygon with the theoretical probability density function of the normal distribution. Quantitative confirmation of the process normality was carried out using the Kolmogorov goodness-of-fit test. It is shown that at the significance level p = 0,05, the hypothesis about the normality of a random process (surface nanoroughness profile) does not contradict the experimental results. The correlation intervals of the considered processes are determined. The form of the autocorrelation functions and the values of the correlation intervals indicate the random nature of the surface profile: in the interval equal to one or two average values of the step of the irregularities of the profile, its ordinates become practically uncorrelated. Spectral density plots indicate that the surface profile can be considered as a wide-band random noise with a predominance of low-frequency components.

FIELD DESORPTION OF INTERCALATED CAESIUM ATOMS FROM GRAPHENE ON THE (100) IRIDIUM FACE

С помощью полевой десорбционной микроскопии исследована десорбция атомов цезия с квазисферической науглероженной поверхности монокристалла иридия. Получены полевые электронные и десорбционные изображения поверхности при образовании графена на грани (100) иридия. Полевые электронные изображения поверхности эмиттера до интеркалирования и после интеркалирования графена атомами цезия не изменяются. Электрическое поле стимулирует десорбцию атомов цезия из интеркалированного состояния, вследствие разрыва связей крайних атомов углерода с поверхностью грани (100) иридия. С помощью покадровой регистрации показана возможность наблюдения локализации дефектов графенового слоя на поверхности полевого эмиттера. Показано, что полевая десорбция атомов цезия из интеркалированного состояния начинается с дефектов графена расположенных по периметру островка графена. Обнаружено, что десорбционные центры могут располагаться не только по периметру графенового островка, но и в центральной его части в случае образования неупорядоченного графена. The desorption of caesium atoms from the quasi-spherical carbonized surface of an iridium single crystal was studied using the field desorption microscopy. Field electron and desorption images of the surface during the formation of graphene on the (100) iridium face are obtained. The field electron images of the emitter surface before intercalation and after intercalation of graphene with caesium atoms do not change. The electric field stimulates the desorption of caesium atoms from the intercalated state, due to the breaking of the bonds of the extreme carbon atoms with the surface of the face (100) of iridium. Using frame-by-frame recording, the possibility is shown of observing the localization of graphene layer defects on the surface of the field emitter. It is also shown that the field desorption of caesium atoms from the intercalated state begins with graphene defects located along the perimeter of the graphene island. It is found that desorption centers can be located not only along the perimeter of the graphene island, but also in its central part in the case of the disordered graphene formation.

ROUGHNESS AND STRUCTURE OF InGaAsN THIN FILMS ON Si

Методом импульсного лазерного напыления в атмосфере аргоно-азотной газовой смеси из мишени InGaAs впервые были получены тонкие пленки InGaAsN на подложках GaAs и Si. Мишень lnGaAs формировалась методом одноосного прессования из порошков GaAs и lnAs. Методами атомно силовой микроскопии и рентгеновской дифракции исследованы морфология поверхности и структура данных тонких пленок. Показано, что пленки InGaAsN на Si имеют средний размер кристалла 0,93 нм, а пленки и InGaAsN на GaAs - 0,99 нм. Определено, что уменьшение давления аргоно-азотной смеси при импульсном лазерном напылении тонких пленок InGaAsN на подложках GaAs и Si приводит к снижению значения среднеквадратичной шероховатости поверхности. Наименьшую среднеквадратическую шероховатость равную 0,25 нм имела тонкая пленка InGaAsN на подложке GaAs, полученная в вакууме, наибольшую среднеквадратическую шероховатость имела тонкая пленка InGaAsN на подложке Si, полученная при давления аргоно-азотной смеси от 10 Па - 19,37 нм. By the method of pulsed laser deposition in atmosphere of an argon-nitrogen gas mixture, for the first time thin InGaAsN films on GaAs and Si substrates were obtained from the InGaAs target. The InGaAs target was formed by uniaxial pressing from GaAs and InAs powders. The surface morphology and structure of these thin films are studied by atomic force microscopy and X-ray diffraction. It is shown that InGaAsN films on Si have an average crystal size of 0,93 nm, and InGaAsN films on GaAs of 0,99 nm. It is determined that a decrease in the pressure of an argon-nitrogen mixture during pulsed laser deposition of thin InGaAsN films on GaAs and Si substrates leads to a decrease in the value of the root- mean-square roughness of the surface. The smallest root-mean-square roughness equal to 0,25 nm had a thin InGaAsN film on a GaAs substrate obtained in vacuum, the largest root-mean- square roughness of 19,37 nm had a thin InGaAsN film on a Si substrate obtained at the argon-nitrogen mixture pressure of 10 Pa -.

PORE PERCENTAGE ESTIMATION OF PIEZOELECTRIC CERAMICS USING CCANN AND IMAGE MADE WITH SEM

Авторами получены образцы пьезоэлектрической керамики ниобата калия натрия с концентрацией пор 10,25 и 40 объемных %. Разработана капсульная свёрточная искусственная нейронная сеть для определения процентного содержания пор по изображению. С помощью растрового электронного микроскопа получено обучающее множество примеров (фотографии поверхности и сколов подготовленных образцов). Разработка и апробация капсульной свёрточной искусственной нейронной сети осуществлена в несколько этапов. На первом проведено ее обучение с помощью метода обратного распространения ошибки. На втором - тестирование на проверочном множестве. На заключительном этапе проведено сравнение полученных результатов с результатами метода сравнения плотности материала. Показано, что данный метод можно использовать для решения задачи определения процентного содержания пор в KNN, поскольку полученные результаты сопоставимы с результатами, полученными другим методом. Установлено, что в образцах, в которых не были специально добавлены поры, также присутствуют поры (порядка 5 %). The authors synthesized samples of piezoelectric potassium sodium niobate ceramics of 10,25 and 40 pore percentage by volume. Capsule convolutional artificial neural network has been developed for estimation of the pore percentage in images. Using the scanning electron microscopy, f learning massive of examples was formed (photographs of surface and edges of so-synthesized samples). Development and approbation of the capsule convolutional artificial neural network was completed in a few stages. During the first stage, the network was trained using a backpropagation method. Secondly, it was tested by a testing set. At the final stage we made a comparison of the acquired results with the results of the density comparing method. The article shows that this method can be used the pore percentage estimation in sodium niobate ceramics because the acquired results are comparable with the results of other methods. It was found that the samples where the pores were not made also have some pore percentage (about 5 %).

DIFFERENT SCHEMES FOR OBTAINING FRACTAL RELIEF OF NANOSIZED PLATINUM FILMS

В работе исследуется морфология рельефа наноразмерных пленок платины на поверхности слюды с помощью сканирующего зондового (в режиме атомного-силового) и туннельного микроскопов. Пленки платины исследовались непосредственно после их получения на установке магнетронного напыления, а также после отжига в муфельной печи в воздушной атмосфере. Отжиг позволял установить возможные диапазоны изменения фрактальной размерности и высотных параметров, соответствующие деградации нанорельефа. Получены значения фрактальной размерности для пленок разной толщины при двух альтернативных методах исследования на разных исходных масштабах образцов: на основе данных атомносилового микроскопа - D̅=2,17÷2,38 и сканирующего туннельного микроскопа - D̅=2,28÷2,50 в зависимости от последовательности напыления слоев и отжига пленок. Выбор последовательности операций магнетронного напыления и отжига и внешних условий позволяют формулировать рекомендации по развитию технологии «выращивания» структур с заданной морфологией поверхности. The morphology of the relief of nanosized platinum films on the mica surface is investigated using the scanning probe (in the atomic force mode) and tunneling microscopy. Platinum films were investigated immediately after their preparation in a magnetron sputtering facility, as well as after annealing in a muffle furnace in an air atmosphere. Annealing made it possible to establish the possible ranges of variation of the fractal dimension and the altitude parameters corresponding to degradation of the nanorelief. The values of the fractal dimension were obtained for films of different thicknesses using two alternative methods of investigation at different initial scales of samples: based on the data of an atomic force microscope - D̅ = 2,17÷2,38 and a scanning tunneling microscope - D̅ = 2,28÷2,50 depending on the sequence of deposition of layers and annealing of films. For comparison, experimental data of other authors are presented. The choice of the sequence of operations for magnetron sputtering and annealing, and external conditions makes it possible to formulate recommendations for development of the technology for «growing» structures with a given surface morphology.

STUDY OF POTASSIUM INTERCALATION IN TO THE GRAPHENE/MoS STRUCTURE

Используя современные расчеты из первых принципов, в данной работе мы систематически изучали интеркаляцию атомов калия в гибридную двухслойную структуру графене/ MoS. В ходе исследования были определенны концентрации атомов калия при которых энергия формирования является отрицательной. Так в частности при концентрации атомов калия, по отношению к атомам молибдена, не более x = 0,43 формирование слоя атомов калия между слоями графен/ MoS является энергетически выгодным. Начиная с концентрации атомов калия x > 0,75 наблюдается увеличение расстояние между слоями графен и MoS, что в дальнейшем приводит к разрушению структуры. Расчет зарядов показал, что атом калия при небольших концентрациях отдает примерно 0,8 - 0,85 электрона, 0,35 из которых перетекает на атомы углерода, а 0,4 - 0,5 перетекает на дисульфид молибдена. Расчёт разность электронных плотностей показал, что связь между слоями графена, дисульфид молибдена и калия имеет ковалентный характер. Using modern ab-initio calculations, in this work, we systematically studied the intercalation of potassium atoms into a hybrid two-layer graphene/MoS structure. In the course of the study, concentrations of potassium atoms were determined at which the formation energy is negative. So, in particular, when the concentration of potassium atoms (in relation to molybdenum atoms) is not more than x = 0,43, formation of a layer of potassium atoms between the graphene/ MoS layers is energetically favorable. Beginning with the concentration of potassium atoms x > 0,75 , an increase in the distance between the graphene and MoS layers is observed, which further leads to destruction of the structure. Calculation of charges showed that a potassium atom at low concentrations gives up about 0,8 - 0,85 electrons, 0,35 of which flow on carbon atoms, and 0,4 - 0,5 to molybdenum disulfide. Calculation of the difference in electron densities showed that the bond between the layers of graphene, molybdenum and potassium disulfide has a covalent nature.

THE USE OF LIQUID PROBES BASED ON AN EUTECTIC SOLUTION FOR STUDYING THE CONDUCTING PROPERTIES OF THIN FILMS

Работа посвящена разработке модульной четрырехзондовой установки с использованием жидкого контакта на основе индий-галлиевого эвтектического раствора (EGaIn), с помощью которого можно создать прижимные жидкие контакты, не вносящие механические деформации в измеряемые структуры. Предлагается использовать данную установку для измерения вольт-амперных характеристик тонкопленочных образцов. Предполагается модульная схема измерений. Каждый зонд управляется четырьмя моторами для позиционирования и выдавливания капли из шприца для формирования нужного размера пятна контакта. Используется оптический контроль для подготовки зондов и измерения диаметра сформированных контактных областей. Подобраны параметры изготовления жидких зондов, а именно скорости выдавливания и перемещения зонда вдоль вертикальной оси для формирования капли конической формы . Управление установкой осуществляется в среде LabView. The work is devoted to development of a modular four-probe setup using a liquid contact based on an indium-gallium eutectic solution (EGaIn), which can be used to create clamping liquid contacts that do not introduce mechanical deformation into the measured structures. It is proposed to use this setup for measuring the current-voltage characteristics of thin-film samples. A modular measurement scheme is assumed. Each probe is driven by four motors to position and expel a drop from the syringe to form the desired contact area size. Optical control is used to prepare the probes and measure the diameter of the formed contact areas. The parameters for the manufacture of liquid probes are selected, namely, the speed of extrusion and movement of the probe along the vertical axis to form a conical droplet. The installation is controlled in the LabView environment.