ФТІНТ: «Відділ спектроскопії молекулярних систем і наноструктурних матеріалів»

Група спектральних і структурних досліджень вільних нанокластерів інертних та молекулярних газів

Склад групи

●	Спектроскопічні дослідження:

с.н.с. Вакула В.Л.
н.с. Доронін Ю.С.
м.н.с. Ткаченко Г.О.

●	Структурні дослідження:

н.с. Данильченко О.Г.
м.н.с. Конотоп О.П.

Основні напрямки досліджень

Дослідження еволюції структури і фазового складу кластерів інертних та молекулярних газів в залежності від їхнього розміру.
Розробка методики керування розмірами та складом кластерів в експериментах з одно- та багатокомпонентними кластерними струменями.
Дослідження формування і розпаду електронних збуджень у гомо- та гетероядерних кластерах інертних та молекулярних газів.
Розробка нових джерел вакуумного ультрафіолетового (ВУФ) та ультрам’якого рентґенівського (УМР) випромінювання.
Розробка імітатора ВУФ та УМР випромінювання Сонця на кластерних струменях.
Вивчення впливу ВУФ та УМР випромінювання Сонця на фізичні властивості конструкційних матеріалів космічних апаратів у лабораторних умовах.
Дослідження впливу структури поверхневих і об’ємних шарів кластерів на формування спектрів гальмівного випромінювання (ГВ) та поляризаційного гальмівного випромінювання (ПГВ).

Основні методи досліджень

Формування кластерів у надзвуковому струмені газів, збудження та іонізація атомарних і кластерних пучків електронами та фотонами, емісійна спектроскопія кластерів інертних та молекулярних газів у ВУФ, УМР та видимому діапазонах електромагнітного спектра, дифракція електронів на кластерах.

Обладнання

Дослідницький комплекс на основі генератора кластерного пучка, що складається з кількох експериментальних стендів.

1.	Експериментальний стенд для дослідження катодолюмінесценції кластерів інертних та молекулярних газів у видимому та ВУФ діапазонах спектра

Отримання та аналіз спектрів випромінювання вільних гомогенних і гетерогенних нанокластерів атомарних і молекулярних газів, дослідження впливу структури та розміру кластерів на релаксацію електронних збуджень.

Ключові результати:

Встановлено існування розмірного ефекту в процесі релаксації електронних збуджень у кластерах, пов’язаного зі специфічними особливостями розмірного квантування енергії всередині екситонних зон кластерів.
Виявлено екситонно-домішкову люмінесценцію в кластерах ксенону з некристалічною структурою.
Виявлено утворення в кластерах N₂ та Ar-N₂ молекулярних димерів (N₂)₂, що можуть розглядатися як базовий структурний елемент для синтезу полімерного азоту за нормальних умов.
Виявлено десорбцію збуджених атомів водню з вільних нанокластерів Ar/CH₄ при опроміненні електронами. З'ясовано механізми десорбції електронно збуджених атомів H^* з кластерів Ar/CH₄.

Перше спостереження екситонно-домішкової люмінесценції з кластерів ксенону [Low Temp. Phys. 35, No. 12, 944 (2009)].

Виявлення молекулярних димерів (N₂)₂ у кластерах N₂ та Ar-N₂ [Phys. Rev. A 84, No. 2, 023201 (2011)].

2.	Експериментальний стенд для структурних досліджень вільних кластерів інертних та молекулярних газів

Використання електронографічного методу для встановлення структури та субструктури, визначення температури, параметрів кристалічної ґратки, а також середніх розмірів гомогенних і гетерогенних нанокластерів атомарних та молекулярних газів.

Ключові результати:

Вперше зафіксовано та досліджено структурний перехід ГЦК → (ГЦК+ГЩП) в однокомпонентних кластерах Ar та бінарних кластерах Ar-Kr.
На прикладі кластерів азоту встановлено структурну генезу високотемпературної β-фази N₂.
Виявлено фазове розшарування на чисті компоненти в кластерах Ar-Xe (у масивних зразках спостерігається розпад системи на розчини).
Вперше встановлено зниження температури бінарних кластерів Ar-Kr та Ar-Xe (на 30-50%) у порівнянні з температурами однокомпонентних кластерів Kr та Xe, обумовлене наявністю газоподібного аргону, що виконує роль теплового носія.
Розроблено методику керування розмірами та складом кластерів в експериментах з двокомпонентними кластерними струменями.

Визначення областей існування одно- та двокомпонентних кластерів, отримуваних з двокомпонентних газових сумішей речовин з необмеженою взаємною розчинністю [Low Temp. Phys. 41, No. 8, 637 (2015)].

Перше спостереження фазового розшарування на чисті компоненти в кластерах Ar-Xe [JETP Lett. 84, No. 6, 324 (2006)].

Встановлення послідовності структурних перетворень, що передують утворенню високотемпературної β-фази азоту [Low Temp. Phys. 31, No. 11, 979 (2005)].

3.	Експериментальний стенд для спектроскопічного дослідження атомів, молекул та кластерів в УМР області спектра

Отримання та аналіз емісійних УМР спектрів атомів і кластерів у широкій області енергій фотонів, дослідження впливу процесу кластеризації на спектри при іонізації електронами субвалентних підоболонок інертних та молекулярних газів, дослідження процесів формування ПГВ та ГВ при розсіюванні електронів різних енергій на атомарних і кластерних мішенях.

Ключові результати:

Відкрито та досліджено ПГВ при розсіюванні електронів на атомах ксенону (премія ім. І. Пулюя: Е.Т. Верховцева та О.В. Гнатченко, 2003 рік).
Визначено абсолютні значення диференціального перерізу ГВ при розсіюванні електронів на атомах та кластерах ксенону.
Досліджено вплив структури поверхневих та внутрішніх ікосаедричних та кристалічних шарів кластерів ксенону на формування спектрів ПГВ при електронному збудженні кластерів.
Виявлено особливий стан кластерів ксенону, в якому їхній кор має кристалічну структуру, а поверхневий шар перебуває в псевдокристалічному стані, флуктуюючи між рідкою та твердою фазами.

Перше експериментальне спостереження ПГВ при розсіюванні електронів на атомах ксенону [J. Phys. B 16, No. 20, L613 (1983)].

Важливі публікації групи

▼

O.P. Konotop, O.G. Danylchenko. Cluster growth in binary N₂–Kr supersonic jets: effect of initial gas temperature and krypton gas concentration, ФНТ 49 (2), 233-238 (2023) [Low Temp. Phys. 49 (2), 216 (2023)].
DOI: 10.1063/10.0016873.

Yu.S. Doronin, V.L. Vakula, G.V. Kamarchuk, А.А. Tkachenko, I.V. Khyzhniy, S.A. Uyutnov, M.A. Bludov, E.V. Savchenko. Desorption of excited H* atoms from free clusters Ar/CH₄ and solid Ar doped with CH₄, ФНТ 47 (12), 1157-1164 (2021) [Low Temp. Phys. 47 (12), 1058 (2021)].
DOI: 10.1063/10.0007081.

В.Л. Вакула, А.Г. Данильченко, Ю.С. Доронин, Г.В. Камарчук, А.П. Конотоп, В.Н. Самоваров, А.А. Ткаченко. Новый подход к исследованию спектров катодолюминесценции свободных кластеров инертных элементов с квазикристаллической и кристаллической структурой, ФНТ 46(2), 180-191 (2020) [Low Temp. Phys. 46(2), 145 (2020)].
DOI: 10.1063/10.0000533.

O.G. Danylchenko, R.E. Boltnev, V.V. Khmelenko, V. Kiryukhin, O.P. Konotop, D.M. Lee, N.V. Krainyukova. Argon nanoclusters with fivefold symmetry in supersonic gas jets and superfluid helium, J. Low Temp. Phys. 187(1-2), 156-165 (2017).
DOI: 10.1007/s10909-016-1720-8.

А.Г. Данильченко, С.И. Коваленко, А.П. Конотоп, В.Н. Самоваров. Диагностика состава и размера кластеров, cформированных в сверхзвуковых струях газовых смесей Ar–Kr, ФНТ 41(8), 820 (2015) [Low Temp. Phys. 41(8), 637 (2015)].
DOI: 10.1063/1.4928921.

А.Г. Данильченко, С.И. Коваленко, А.П. Конотоп, В.Н. Самоваров. Зарождение и рост ГПУ фазы в гомогенных (Ar) и гетерогенных (Ar–Kr) кластерах по данным электронографии, ФНТ 40(12), 1391 (2014) [Low Temp. Phys. 40(12), 1083 (2014)].
DOI: 10.1063/1.4904000.

Е.В. Гнатченко, А.Н. Нечай, А.А. Ткаченко, В.Н. Самоваров. Исследование поверхности кластеров ксенона по спектрам поляризационного тормозного излучения: псевдокристаллическое состояние, ФНТ 38(12), 1446-1454 (2012) [Low Temp. Phys. 38(12), 1139 (2012)].
DOI: 10.1063/1.4770519.

Yu.S. Doronin, M.Yu. Libin, V.N. Samovarov, and V.L. Vakula. Spectroscopic observation of (N₂)₂ dimers in free icosahedral N₂ and Ar-N₂ clusters, Phys. Rev. A 84(2), 023201 (10 pp.) (2011).
DOI: 10.1103/PhysRevA.84.023201 .

E.V. Gnatchenko, A.N. Nechay, V.N. Samovarov, and A.A. Tkachenko. Polarization bremsstrahlung from xenon atoms and clusters: A cooperative effect contribution, Phys. Rev. A 82(1), 012702 (6 pp.) (2010).
DOI: 10.1103/PhysRevA.82.012702.

E.V. Gnatchenko, А.N. Nechay, and A.A. Tkachenko. Absolute differential bremsstrachlung cross sections for 0.4-2-keV electrons scattered by Ar, Kr, and Xe atoms, Phys. Rev. A 80(2), 0022707 (7 pp.) (2009).
DOI: 10.1103/PhysRevA.80.022707.

В.Л. Вакула, А.Г. Данильченко, Ю.С. Доронин, С.И. Коваленко, М.Ю. Либин, В.Н. Самоваров. Наблюдение экситонной люминесценции из икосаэдрического ксенон-аргонового кластера, ФНТ 35(12), 1215-1220 (2009) [Low Temp. Phys. 35(12), 944 (2009)].
DOI: 10.1063/1.3276058.

O.G. Danylchenko, Yu.S. Doronin, S.I. Kovalenko, M.Yu. Libin, V.N. Samovarov, and V.L. Vakula. Luminescence evidence for bulk and surface excitons in free xenon clusters, Phys. Rev. A 76(4), 043202 (6 pp.) (2007).
DOI: 10.1103/PhysRevA.76.043202.

Ю.С. Доронин, В.Н. Самоваров. Спектроскопия смешанных кластеров Ar-Xe: эффект формирования ксенонового ядра, Оптика и спектроскопия 102(6), 983-987 (2007).
DOI: 10.1134/S0030400X07060173.

А.Г. Данильченко, Ю.С. Доронин, С.И. Коваленко, В.Н. Самоваров. Обнаружение эффекта расслоения на чистые компоненты в смешанных кластерах Ar-Xe, Письма ЖЭТФ 84(6), 385-389 (2006) [JETP Lett. 84(6), 324 (2006)].
DOI: 10.1134/S002136400618010X.

А.Г. Данильченко, С.И. Коваленко, В.Н. Самоваров. Электронография двухкомпонентных кластеров Ar-Kr: особенности нуклеации, механизмов роста и структурных состояний, ФНТ 32(12), 1551-1560 (2006) [Low Temp. Phys. 32(12), 1182 (2006)].
DOI: 10.1063/1.2400697.

Э.Т. Верховцева, Е.А. Бондаренко, Ю.С. Доронин, А.М. Ратнер. Влияние размерного эффекта в спектре энергии экситонов кластеров инертных элементов на релаксацию экситонов, ФНТ 32(10), 1245-1255 (2006) [Low Temp. Phys. 32(10), 946 (2006)].
DOI: 10.1063/1.2370738.

А.Г. Данильченко, С.И. Коваленко, В.Н. Самоваров. Кинетика гомогенной кристаллизации азота по данным электронографии свободных кластеров, ФНТ 31(11), 1288-1292 (2005) [Low Temp. Phys. 31(11), 979 (2005)].
DOI: 10.1063/1.2127890.

E.T. Verkhovtseva, E.V. Gnatchenko, and P.S. Pogrebnjak. Investigation of the connection between 'giant' resonances and 'atomic' bremsstrahlung, J. Phys. B 16(20), L613 (1983).
DOI: 10.1088/0022-3700/16/20/003.