Atom species energy dependence on magnetic configurations in the perovskite yttrium orthoferrite

The article represents the results of studying of the influence of atom species in the perovskite multiferroic yttrium orthoferrite YFeO3 on magnetic configurations by ab-initio methods. Four magnetic configurations possible in magnetic sublattice that were formed by iron atoms were analyzed. It is shown that different magnetic orderings change the lattice parameters and the ions occupied positions while preserving symmetry of the unit cell, the lowest state responds G-AFM type magnetic ordering. The lattice parameters are in good relevant published experimental data. The atom species energy dependence shows that the main role in magnetic properties goes to iron and oxygen. In the ground state, magnetic properties relate with Dzyaloshinskii – Moriya interaction, while in other configurations, these relate with superexchange through Fe- O-Fe chains. Obtained results are useful for analyzing and designing straintronics devices. Also, the results can be interesting for interpretation and predicting magnetic properties of partially or fully substituted orthoferrites including substitution on rare-earth elements.The article represents the results of studying of the influence of atom species in the perovskite multiferroic yttrium orthoferrite YFeO3 on magnetic configurations by ab-initio methods. Four magnetic configurations possible in magnetic sublattice that were formed by iron atoms were analyzed. It is shown that different magnetic orderings change the lattice parameters and the ions occupied positions while preserving symmetry of the unit cell, the lowest state responds G-AFM type magnetic ordering. The lattice parameters are in good relevant published experimental data. The atom species energy dependence shows that the main role in magnetic properties goes to iron and oxygen. In the ground state, magnetic properties relate with Dzyaloshinskii – Moriya interaction, while in other configurations, these relate with superexchange through Fe- O-Fe chains. Obtained results are useful for analyzing and designing straintronics devices. Also, the results can be interesting for interpretation and predicting magnetic properties of partially or fully substituted orthoferrites including substitution on rare-earth elements

Preparation and antibacterial properties of composite nanostructures from titanium and copper oxides

Composite nanostructures of titanium and copper oxides have been produced on the surface of copper grids by thermal oxidation in combination with sol–gel method. The influence of the oxidation temperature and duration on the structural characteristics of the nanostructured copper oxides thus produced, in the form of CuO nanowire arrays, has been analyzed. X-ray diffraction characterization indicated the presence of crystalline titania in the form of anatase in the composite structures. The CuO/TiO2 structures have been shown to exhibit antibacterial activity under illumination with scattered light and visible light from an artificial light source, ensuring 100% cell death in Escherichia coli and Staphylococcus aureus cultures in 30 and 90 min, respectively

Deep learning methods possibilities for optimization of the educational and research problems solution in the field of nanomaterial science

Симбиоз классической науки и передовых информационных технологий становится все более продуктивным и востребованным для современного научно-технического прогресса и укрепления позиций белорусской науки и образования на международной арене. Нейронные сети и методы машинного обучения в общем способны снизить временные и трудовые затраты на широкий ряд материаловедческих исследований, особенно в направлении прогнозирования свойств наноматериалов и новых соединений, что особенно актуально в рамках стратегии «Наука и технологии: 2018–2040» и внедрения концепции Университета 3.0. В данной работе рассмотрен практический пример решения актуальной задачи исследования свойств материалов на примере иттрий-алюминиевых оксидов (материалы, широко используемые в лазерной технике, оптоэлектронике и др.) с привлечением методов глубокого обучения. Дан сравнительный анализ результатов, полученных нейронной сетью, с данными традиционного компьютерного эксперимента. The symbiosis of classical science and advanced information technologies is becoming increasingly productive and demanded for modern scientific and technological progress and strengthening of the Belarusian science and education position in the world. Neural networks and machine learning methods in general can reduce time and labor expenditure for a wide range of materials science research, especially in the direction of the nanomaterials and new compounds properties predicting. It’s especially important in the framework of the “Science and Technology: 2018–2040” strategy and the introduction of the University 3.0 concept. In this paper, we consider a practical example of solving the urgent problem of the materials properties studying by the case of yttrium-aluminum oxides (materials widely used in laser technology, optoelectronics, etc.) with the use of deep learning methods. A comparative analysis of the results obtained by the neural network with the data of a traditional computer experiment is represented

Estimation of the integral toxicity of photocatalysts based on graphitic carbon nitride in a luminescent test

A ternary heterosystem consisting of crystalline graphitic carbon nitride, zinc oxide, and zinc sulfide (g-C3N4/ZnO/ZnS) was obtained by the one-stage decomposition of a mixture of thiourea and zinc acetate. The integral toxicity index of the resulting material was estimated in a luminescent test with a genetically modified Escherichia coli strain as a test object. The effect of quenching the luminescence of E. coli was noted both under exposure to UV radiation due to photocatalytic reactions on the surface of g-C3N4/ZnO/ZnS leading to the formation of highly oxidative radical ions interacting with cell membranes and without irradiation due to mechanical interactions with bacterial cells. At a 0.3 g/L concentration of g-C3N4/ZnO/ZnS in aqueous solution, the toxicity index T reached 75.6% under UV irradiation. In this case, an increase in the toxicity index T of the ternary heterosystem in a test concentration range from 0.1 to 0.3 g/L was 6 or 10–11% under UV radiation or without illumination, respectively, as compared with that of the pure graphite-like carbon nitride obtained under identical conditions

Structural and phase transformations in the thiourea/zinc acetate system

Using differential thermal analysis and thermogravimetry, we have studied thermal decomposition of a mechanical mixture of thiourea and zinc acetate, resulting in the formation of a composite material consisting of graphitic carbon nitride and zinc acetate, g-C3N4/ZnS, and possibly containing zinc oxide (ZnO) inclusions. In the case of a mixture containing the stoichiometric sulfur:zinc ratio for zinc sulfide synthesis, one can obtain a material containing only ZnS semiconductor crystals embedded in a g-C3N4 matrix. ZnS is formed in the temperature range 317–367 °C as a result of decomposition of zinc complexes with thiourea. Heating the mixture to above 560 °C increases the rate of the thermal decomposition of g-C3N4, which reaches completion between 720 and 740 °C. The presence of oxygen in the reaction atmosphere also accelerates this process, without significantly changing the temperature range of synthesis or decomposition of reaction products. The proposed technique can be used for the synthesis of g-C3N4-based composite materials and other semiconducting metal sulfides

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ УЛЬТРАТОНКИХ ПЛЕНОЧНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

The aim of the work was to study the optical properties of the one-dimensional photonic crystals from ultrathin alternating layers of titanium and silicon oxides with different order of alternating layers to form defective half-wave layers in the bulk of the photonic crystal. The layer thicknesses were optimized by the dispersion of the refractive index and it was shown that for the formation of 16-layer photonic crystal structure without a half-wave layer with a photonic band gap in the UV region, it is necessary to use layers of titanium dioxide and silicon oxide with a thickness of 28.3 and 53.2 nm, respectively. The structure of the 26-layer photonic crystal with a thickness of 2130 nm with two non-equidistant half-wave layers forming resonant transmission bands in the photonic band gap with peaks at 550 and 601 nm is proposed. Due to the dispersion of the refractive index, the ratio of the thicknesses of TiO2:SiO2 layers varies from 1:1.88 in the case of a 16-layer structure with a photonic band gap in the UV region to 1:1.5 in the case of a 26-layer structure with a photonic band gap in the visible range . The effect of a photonic crystal structure without half-wave layers on the emission spectrum of a liquid crystal display manufactured using IPS technology has been demonstrated in order to reduce the intensity of the blue component to increase the safety of the user's vision. The using of the photonic crystals with two half-wave defective layers allows to achieve complete separation of the spectrum components, which can be used to modify the spectra of large liquid crystal panels, their manufacture using AMOLED technology is a very difficult technological task even for leaders in this field.Целью работы являлось исследование оптических свойств одномерных фотонных кристаллов из ультратонких чередующихся слоев оксидов титана и кремния с различным порядком чередования слоев для формирования дефектных полуволновых слоев в объеме фотонного кристалла. Проведена оптимизация толщин слоев с учетом дисперсии коэффициента преломления и показано, что для формирования 16-слойной структуры фотонного кристалла без полуволнового слоя с фотонной запрещенной зоной в ультрафиолетовой области необходимо использовать слои диоксида титана и оксида кремния толщиной 28,3 и 53,2 нм соответственно. Предложена структура 26-слойного фотонного кристалла толщиной 2130 нм с двумя неэквидастантными полуволновыми слоями, формирующими резонансные полосы пропускания в фотонной запрещенной зоне с максимумами на 550 и 601 нм. Из-за дисперсии коэффициента преломления отношение толщин слоев TiO2:SiO2 изменяется с 1:1,88 в случае 16-слойной структуры с фотонной запрещенной зоной в УФ области до 1:1,5 в случае 26-слойной структуры с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне. Продемонстрировано влияние фотонно-кристаллической структуры без полуволновых слоев на спектр излучения жидкокристаллического дисплея, изготовленного по технологии IPS, с целью снижения интенсивности синей компоненты для повышения безопасности зрения пользователя. Использование фотонного кристалла с двумя полуволновыми дефектными слоями позволяет добиться полного разделения компонент спектра, что возможно применять для модификации спектров крупных жидкокристаллических панелей, так как их изготовление по технологии AMOLED является крайне сложной технологической задачей даже для лидеров в данной области

Optical Properties of Valve Metals Functional Thin Films Obtained by Electrochemical Anodization on Transparent Substrates

Nanostructured aluminum, tantalum, and vanadium oxide layers on glass substrates were obtained by electrochemical anodizing in oxalic and sulfuric–oxalic electrolytes. The morphological and optical properties of the obtained structures were investigated experimentally by scanning electron microscopy and transmission spectroscopy. Obtained oxide coatings are quasi-ordered arrays of vertical (aluminum oxide/tantalum oxide, aluminum oxide/vanadium oxide, and aluminum oxide obtained in the oxalic electrolyte) or non-ordered tree-like (aluminum oxide obtained in the sulfuric–oxalic electrolyte) pores depending on the initial film metal and anodizing technology. The light transmission in the range of 750–1200 nm is up to 60% for aluminum oxide/tantalum oxide/glass (annealed) and quasi-ordered aluminum oxide/glass structures, and around 40% for aluminum oxide/tantalum oxide/glass (not annealed) and aluminum oxide/vanadium oxide. Non-ordered aluminum oxide is characterized by low transmission (no more than 8%) but has a developed surface and may be of interest for the formation of films with poor adhesion on smooth substrates, for example, photocatalytic active xerogels. The refractive indices of dispersion of the obtained layers were calculated from the transmission spectra by the envelope method. The dispersion of the refractive indices of the obtained oxide films is insignificant in a wide range of wavelengths, and the deviation from the average value is assumed to be observed near the intrinsic absorption edges of the films. The glasses with proposed semi-transparent nanostructured oxide layers are promising substrate structures for subsequent sol–gel coating layers used in photocatalytic purification systems or up-conversion modules of tandem silica solar cells with forward and reverse illumination

Role of iron and chromium in the photocatalytic activity of titanium dioxide films on stainless steel

Photocatalytically active titanium dioxide films have been formed on stainless steel grids via sol–gel process followed by heat treatment in the temperature range of 450–550°C. During UV irradiation of the films in an aqueous solution of the Rhodamine B dye and in distilled water we have detected iron and chromium dissolution from uncoated grid regions and the deposition of iron and chromium compounds onto the titanium dioxide surface. The deposition rate of these compounds increases with annealing temperature,which leads to a decrease in the photocatalytic activity of the films

Modeling of multilayer ultrathin-film photonic crystals for selective filters

Целью работы являлось исследование оптических свойств одномерных фотонных кристаллов из ультратонких чередующихся слоев оксидов титана и кремния с различным порядком чередования слоев для формирования дефектных полуволновых слоев в объеме фотонного кристалла. Проведена оптимизация толщин слоев с учетом дисперсии коэффициента преломления и показано, что для формирования 16-слойной структуры фотонного кристалла без полуволнового слоя с фотонной запрещенной зоной в ультрафиолетовой области необходимо использовать слои диоксида титана и оксида кремния толщиной 28,3 и 53,2 нм соответственно. Предложена структура 26-слойного фотонного кристалла толщиной 2130 нм с двумя неэквидастантными полуволновыми слоями, формирующими резонансные полосы пропускания в фотонной запрещенной зоне с максимумами на 550 и 601 нм. Из-за дисперсии коэффициента преломления отношение толщин слоев TiO2:SiO2 изменяется с 1:1,88 в случае 16-слойной структуры с фотонной запрещенной зоной в УФ области до 1:1,5 в случае 26-слойной структуры с фотонной запрещенной зоной в видимом диапазоне. Продемонстрировано влияние фотонно-кристаллической структуры без полуволновых слоев на спектр излучения жидкокристаллического дисплея, изготовленного по технологии IPS, с целью снижения интенсивности синей компоненты для повышения безопасности зрения пользователя. Использование фотонного кристалла с двумя полуволновыми дефектными слоями позволяет добиться полного разделения компонент спектра, что возможно применять для модификации спектров крупных жидкокристаллических панелей, так как их изготовление по технологии AMOLED является крайне сложной технологической задачей даже для лидеров в данной области

Оптимизация конфигурации двухмасштабных оксидных структур для фотокаталитических приложений

Photocatalytic active materials are very popular in the modern trend of increasing the environmental friendliness of production processes and vital activities. Effective photocatalysts are the oxides of certain metals (titanium, tungsten, zinc, etc.), which can be obtained by electrochemical methods. The additional use of photolithography to force irregularities on the surface of the photocatalyst with a given configuration increases the efficiency of purifying aqueous solutions under the influence of ultraviolet and visible radiation. The purpose of this work is to study the effect of substrate structuring on the liquid flow as part of a model experiment. Modeling in the COMSOL Multiphysics® software package was performed using the finite element method in the approximation of an absolutely incompressible fluid and a k-ε turbulence model. The results obtained made it possible to increase the efficiency of photocatalytic water purification in a flow system in the presence of a photocatalyst with a surface containing configuration elements in the form of ribs with gaps. The optimal dimensions of the ribs according to the results of estimating the liquid flow rate and the region of effective mixing were: rib height h = 0.25-1 mm, rib width w = 1 mm, intercostal gap g = 5 mm. The millimeter range of configuration elements' dimensions makes their manufacture simpler in comparison with the elements of micron and submicron dimensions and helps to expand the options for the technologies used to produce photocatalytic active substrates. In addition to photolithography and electrochemical methods, it is also possible to use chemical etching and sol-gel technology to obtain combined photocatalysts with a given surface configuration.Фотокаталитически активные материалы являются весьма востребованными в свете современных тенденций повышения экологичности процессов производства и жизнедеятельности. Эффективными фотокатализаторами являются оксиды некоторых металлов (титана, вольфрама, цинка и др.), которые могут быть получены электрохимическими методами. Дополнительное использование фотолитографии с целью создания на поверхности фотокатализатора неровностей с заданной конфигурацией повышает эффективность очистки водных растворов под воздействием ультрафиолетового и видимого излучения. Целью данной работы является исследование влияния структурирования подложки на скорость протекания потока жидкости в ее присутствии в рамках модельного эксперимента. Моделирование в программном пакете COMSOL Multiphysics® проводили методом конечных элементов в приближении абсолютно несжимаемой жидкости и k-ε модели турбулентности. Полученные результаты позволили прогнозировать повышение эффективности фотокаталитической очистки воды в проточной системе в присутствии фотокатализатора с поверхностью, содержащей конфигурационные элементы в виде ребер с зазорами. Оптимальные размеры ребер по результатам оценки скорости потока жидкости и области эффективного перемешивания составили: высота ребра h = 0,25-1 мм, ширина ребра w = 1 мм, межреберный зазор g = 5 мм. Миллиметровый диапазон размеров конфигурационных элементов делает их изготовление более простым по сравнению с элементами микронных и субмикронных размеров и способствует расширению вариантов применяемых технологий для получения фотокаталитически активных подложек. Помимо фотолитографии и электрохимических методов также возможно использование химического травления и золь-гель технологии для получения комбинированных фотокатализаторов с заданной конфигурацией поверхности