ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-06-87-95

УДК: 10.17586/1023-5086-2026-93-06-87-95

Исследование фотокаталитических свойств титановых оксидных плёнок, сформированных лазерными импульсами наносекундной длительности

Афанасьев Н.А., Карлагина Ю.Ю., Хмелевский В.А., Гулинян В.А., Шелеманов А.А., Евстропьев С.К., Фоминов Д.Э., Романова Г.Э.
Ссылка для цитирования:

Афанасьев Н.А., Карлагина Ю.Ю., Хмелевский В.А., Гулинян В.А., Шелеманов А.А., Евстропьев С.К., Фоминов Д.Э., Романова Г.В. Исследование фотокаталитических свойств титановых оксидных плёнок, сформированных лазерными импульсами наносекундной длительности // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 6. С. 87–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-87-95

Afanasyev N.A., Karlagina Yu.Yu., Khmelevsky V.A., Gulinian V.A., Shelemanov A.A., Evstropev S.K., Fominov D.E., Romanova G.V. Investigation of the photocatalytic properties of titanium oxide films induced by nanosecond laser pulses [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 6. P. 87–95. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-87-95

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Фотокаталитические свойства оксидных плёнок титана, сформированных наносекундным лазерным излучением при варьируемой дозе лазерного излучения. Цель работы — экспериментальное исследование влияния дозы лазерного излучения на морфологию, элементный и фазовый состав плёнок для управления фотокаталитической активностью и создания эффективных покрытий для медицинской (дезинфекция) и экологической сфер. Метод. Импульсное лазерное оксидирование поверхности титанового сплава ВТ1-0; анализ методом оптической и электронной микроскопии, профилометрии, энергодисперсионной рентгеновской и рамановской спектроскопии. Фотокаталитическая активность оценивалась по генерации синглетного кислорода и деградации раствора метиленового синего. Основные результаты. Установлена нелинейная зависимость фазового состава от дозы излучения: рутил формируется при низких (1,6–1,7×1023 фотон/см2) и высоких (5,7–8,5×1023 фотон/см2) дозах, анатаз — при средней (4,3×1023 фотон/см2), а смешанная фаза — в промежуточном диапазоне (1,9–3,4×1023 фотон/см2). Рутиловые покрытия демонстрируют повышенную фотокаталитическую активность, тогда как смешанные фазы подвержены рекомбинации зарядов. Установлена корреляция структуры и активности: увеличение шероховатости, площади поверхности и умеренное азотное легирование усиливают фотокатализ. Определён оптимальный режим (20 Вт, 100 нс, 999 кГц, 100 мм/с, 10 проходов) при фотоактивации на 385 нм, обеспечивающий максимальный выход реакции. 

Ключевые слова:

титан, оксидные плёнки, лазерная обработка, фотокатализ, шероховатость, синглетный кислород

Благодарность:

 исследование структуры (рис. 2) было проведено в ИРЦ нанотехнологий Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, в рамках проекта № АААА-А19-119091190094.

Коды OCIS: 140.3510, 140.3550, 230.3670, 300.6540

Список источников:
  1. Sahoo J., Sarkhel S., Mukherjee N., Jaiswal A. Nanomaterial-based antimicrobial coating for biomedical implants: new age solution for biofilm-associated infections // ACS Omega. 2022. V. 7(50). P. 45962–45980. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06211
  2. Hojda S., Biegun-Żurowska M., Skórkowska A., Klesiewicz K., Ziąbka M. A Weapon against implant-associated infections: Antibacterial and antibiofilm potential of biomaterials with titanium nitride and titanium nitride-silver nanoparticle coatings // International Journal of Molecular Sciences. 2025. V. 26(4). P. 1646. https://doi.org/10.3390/ijms26041646
  3. Sahin F., Celik N., Ceylan A. et al. Antifouling superhydrophobic surfaces with bactericidal and SERS activity // Chemical Engineering Journal. 2022. V. 431. P. 133445. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133445
  4. Qian H., Yang J., Lou Y. et al. Mussel-inspired superhydrophilic surface with enhanced antimicrobial properties under immersed and atmospheric conditions // Applied Surface Science. 2019. V. 465. P. 267−278. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.09.173
  5. Su Y., Yrastorza J.T., Matis M. et al. Biofilms: Formation, research models, potential targets, and methods for prevention and treatment // Advanced Science. 2022. V. 9. № 29. P. 2203291. https://doi.org/10.1002/advs.202203291
  6. Ferriol-González C., Domingo-Calap P. Phages for biofilm removal // Antibiotics. 2020. V. 9. № 5. P. 268. https://doi.org/10.3390/antibiotics9050268
  7. Guan G., Win K.Y., Yao X. et al. Plasmonically modulated gold nanostructures for photothermal ablation of bacteria // Advanced Healthcare Materials. 2021. V. 10. № 3. P. 2001158. https://doi.org/10.1002/adhm.202001158
  8. Reffuveille F., Dghoughi Y., Colin M. et al. Antibiofilm approaches as a new paradigm for treating infections // Progress in Biomedical Engineering. 2024. V. 6. № 2. P. 023001. https://doi.org/10.1088/2516-1091/ad1cd6
  9. Светличный В.А., Волокитина А.В., Гончарова Д.А. Фотокатализ органических загрязнителей в присутствии композитных наночастиц ZnO-Ag, полученных методом импульсной лазерной абляции // Известия Томского государственного университета. 2023. С. 26. https://vital.lib.tsu.ru/vital/access/services/Download/koha:001131807/SOURCE1

       Svetlichnyi V.A., Volokitina A.V., Goncharova D.A. Photocatalysis of organic pollutants in the presence of composite ZnO-Ag nanoparticles obtained by pulsed laser ablation // Izvestiya Tomsk State University. 2023. P. 26. [Without doi]. https://vital.lib.tsu.ru/vital/access/services/Download/koha:001131807/SOURCE1

  1. Singh I., George S.M., Tiwari A. et al. Influence of laser surface texturing on the wettability and antibacterial properties of metallic, ceramic, and polymeric surfaces // Journal of Materials Research. 2021. V. 36. № 19. P. 3985−3999. https://doi.org/10.1557/s43578-021-00273-8
  2. Ховив А.М., Прибытков Д.М., Ховив Д.А. Синхротронные исследования лазерно-термически окисленных тонких пленок титана // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2008. Т. 72. № 5. С. 675–683.

       Khoviv A.M., Pribytkov D.M., Khoviv D.A. Synchrotron studies of laser-thermally oxidized titanium thin films // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics Series. 2008. V. 72. № 5. P. 675–683.

  1. Вейко В.П., Карлагина Ю.Ю., Колобов Ю.Р. и др. Лазерное оксидирование и структурирование поверхности титана ВТ1-0 для управления его физико-химическими свойствами // Труды международной конференции по наноматериалам с управляемыми свойствами. Москва, Россия. 22−25 ноября. 2016. Т. 3. С. 48–55.

       Veiko V.P., Karlagina Yu.Yu., Kolobov Yu.R. et al. Laser oxidation and structuring of the VT1-0 titanium surface for controlling its physicochemical properties // Proceedings of the International Conference on Nanomaterials with Controlled Properties. Moscow, Russia. November 22–25. 2016. V. 3. P. 48–55.

  1. Морозова Е.А., Алмурзин М.Н., Правосудов Д.Д., Банин Д.И. Влияние импульсной лазерной обработки на изменение структуры и свойств титановых сплавов // Актуальные исследования. 2023. № 8 (138). С. 12–16. https://apni.ru/uploads/ai_8_2023.pdf#page=20

       Morozova E.A., Almursin M.N., Pravosudov D.D., Banin D.I. Influence of pulsed laser treatment on changes in the structure and properties of titanium alloys // Current Research. 2023. № 8 (138). P. 12–16. https://apni.ru/uploads/ai_8_2023.pdf#page=20

  1. Телегин С.В., Лясников В.Н., Гоц И.Ю. Анализ химического и фазово-структурного состава поверхности титана после импульсной лазерной обработки // Вестник Саратовского университета. 2015. № 3 (80). С. 97–101.

       Telegin S.V., Lyasnikov V.N., Gots I.Yu. Analysis of the chemical and phase-structural composition of the titanium surface after pulsed laser treatment // Vestnik Saratov University. 2015. № 3 (80). P. 97–101.

  1. Wang W., Wu Y., Chen L., Xu C., Liu C., Li C. Fabrication of Z-type TiN@(A,R)TiO₂ plasmonic photocatalyst with enhanced photocatalytic activity // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 13. P. 1984. https://doi.org/10.3390/nano13131984
  2. Liu D., Yan Z., Zeng P., Liu H., Peng T., Li R. In situ grown TiN/N-TiO₂ composite for enhanced photocatalytic H₂ evolution activity // Front. Energy. 2021. V. 15. № 3. P. 721–731. https://doi.org/10.1007/s11708-021-0766-8
  3. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. Введ. 1992-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1991. 10 с.

       GOST 19807-91. Wrought titanium and titanium alloys. Grades. Introduced: 1992-01-01. Moscow: Publishing House of Standards, 1991. 10 p.

  1. Dudek M., Wawryniuk Ż., Nesteruk M., Kyziol A., Dudek K. Changes in the laser-processed Ti6Al4V titanium alloy surface observed by using Raman spectroscopy // Materials. 2022. V. 15. № 20. P. 7153. https://doi.org/10.3390/ma15207153
  2. Nosaka Y., Nosaka A.Y. Generation and detection of reactive oxygen species in photocatalysis // Chemical Reviews. 2017. V. 117. № 17. P. 11302–11336. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00161
  3. Bagrov I.V., Kiselev, V. M., Evstropiev, S. K. et al. Singlet oxygen generation in microcapillary optical elements with photoactive coatings // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. № 2. P. 214−219. https://doi.org/10.1134/S0030400X20020034
  4. Kiselev V.M., Kislyakov I.M., Bagrov I.V. Spectral dependence of the efficiency of direct optical excitation of molecular oxygen in tetrachloromethane // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 120. № 6. P. 859−863. https://doi.org/10.1134/S0030400X16060114
Merlin R., Perry T.A. Growth of amorphous Ti₂O₃ layers by laser-induced oxidation // Applied Physics Letters. 1984. V. 45. № 8. P. 852–854. https://doi.org/10.1063/1.95424