Dynamic Optimization of Non-Equilibrium Processes in Nanostructures for High-Performance Applications

Abstract

Динамічна оптимізація нерівноважних процесів у наноструктурах має вирішальне значення для підвищення їхньої функціональності у високопродуктивних застосуваннях, включаючи наноелектроніку та енергетичні пристрої. Це дослідження показує вплив контрольованого нерівноважного синтезу на структурні, хімічні та електричні властивості наноструктурованих матеріалів, зосереджуючись на наноструктурованих плівках діоксиду титану (TiO2) та оксиду цинку (ZnO). Наноструктури синтезуються за допомогою хімічного осадження з парової фази (CVD) та електроосадження, де параметри осадження динамічно налаштовуються для оптимізації кристалічності, морфології поверхні та електронної поведінки. CVD осаджує однорідні, високочисті плівки TiO2 та ZnO, контролюючи реакції попередників у газофазній фазі на нагрітій підкладці, забезпечуючи чітко визначену кристалічність та морфологію поверхні. Електроосадження використовується для синтезу наноструктурованих плівок у водному електроліті шляхом електрохімічного відновлення металевих попередників, що дозволяє налаштовувати товщину, пористість та розмір зерна. Отримані плівки характеризуються за допомогою аналізу площі поверхні методом Брунауера-Еммета-Теллера (БЕТ), рентгенівської дифракції (XRD) та інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR) для оцінки текстурних властивостей, фазової чистоти та хімічних взаємодій. Це дослідження демонструє, як точний контроль нерівноважних станів під час синтезу може оптимізувати властивості наноструктур. Воно підкреслює ефективність динамічної оптимізації в нерівноважному синтезі та відкриває шляхи їх інтеграції у високопродуктивні наноструктуровані пристрої.

Dynamic optimization of non-equilibrium processes in nanostructures is critical for enhancing their functionality in high-performance applications, including nanoelectronics and energy devices. This research investigates the impact of controlled non-equilibrium synthesis on the structural, chemical, and electrical properties of nanostructured materials, focusing on titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO) nanostructured films. These nanostructures are synthesized using chemical vapor deposition (CVD) and electrodeposition, where deposition parameters are dynamically tuned to optimize crystallinity, surface morphology, and electronic behavior. CVD deposits uniform, high-purity TiO2, and ZnO films by controlling gas-phase precursor reactions on a heated substrate, ensuring well-defined crystallinity and surface morphology. Electrodeposition is utilized to synthesize nanostructured films in an aqueous electrolyte by electrochemically reducing metal precursors, allowing for tunable thickness, porosity, and grain size. The resulting films are characterized using BrunauerEmmett-Teller (BET) surface area analysis, X-ray diffraction (XRD), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to assess textural properties, phase purity, and chemical interactions. This research demonstrates how precise control of non-equilibrium states during synthesis can optimize nanostructure properties. It highlights the effectiveness of dynamic optimizatio