авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Спектральный анализ композитных материалов на основе нанокристаллического кремния

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КРУТИКОВА Алла Александровна

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Специальность: 02.00.02 Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук

Москва2007

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Московской Государственной академии тонкой химической технологии

им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Ищенко Анатолий Александрович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Матвеенко Владимир Николаевич

доктор физико-математических наук,

профессор Синичкин Юрий Петрович

Ведущая организация: Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Защита состоится “7“ ноября 2007 г. в часов минут на заседании диссертационного Совета Д 212.120.05 при Московской Государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского 86, аудитория М-119.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, проспект Вернадского 86.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте в интернете www.mitht.ru.

Автореферат диссертации разослан “ “ октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д212.120.05,

кандидат химических наук, доцент Ю.А. Ефимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие нанохимии и нанотехнологий предопределило одну из актуальных проблем современной аналитической науки - разработку методов анализа различных объектов, содержащих наноразмерные компоненты (нанокомпозиты). Во множестве таких объектов находятся нанокристаллический кремний и композитные материалы на его основе. Они востребованы в различных областях химии, физики и науке о материалах, что подтверждается выходом в последнее время большого числа публикаций, посвящённых изучению этих веществ. Актуальность темы выполненной работы обусловлена не только непрерывно возникающими проблемами аналитической науки, связанными с особенностями анализа нанообъектов и полностью до настоящего времени концептуально не сформулированными, но и перспективами практического использования этих веществ. Например, в микросистемах полного аналитического контроля, сенсорных устройствах, преобразователях излучения, фотовольтаических материалах, а также возможного применения их в косметологии и медицине, лакокрасочной и текстильной промышленности.

Особенности спектрально-структурных свойств нанокомпозитов – зависимость УФ спектра от вида функции распределения по размерам частиц, химического состава оболочки, степени кристалличности центрального ядра - открывают возможности управления спектральными характеристиками материалов, полученных с применением данных нанокомпозитов.



Использование высокопроизводительной плазмохимической технологии, связанной с испарением кристаллического кремния в плазменном разряде, а также технологии разложения моносилана в лазерном поле позволяет регулировать не только размеры синтезируемых частиц нанокристаллического кремния (НК-Si), но и химический состав поверхностного слоя, что дает дополнительную возможность управления оптическими свойствами материалов, полученных на основе НК-Si.

Для наночастиц размером 10 нм и выше (содержащих >104 атомов кремния), абсорбционные характеристики в УФ - и видимом диапазоне длин волн во многом определяются свойствами обычного кристаллического или аморфного кремния. Нанокомпозиты кремния, имеющие диаметр центрального ядра 5 нм и меньше, проявляют эффект размерного квантования, оказывающий существенное влияние на их оптические свойства. Использование этого эффекта позволяет управлять абсорбционными и люминесцентными характеристиками различных материалов, например, эмульсионных композитных материалов, обладающих солнцезащитными свойствами.

Эмульсионные композитные материалы на основе наноразмерного кремния до выполнения настоящей работы систематически не изучались. Поэтому, разрабатываемая нами методика спектрального анализа и исследование спектрально-структурных характеристик эмульсионных материалов, содержащих НК-Si, является необходимым этапом развития аналитической науки о наноматериалах и представляет практический интерес при разработке новых протекторов УФ излучения на их основе.

Цель данной работы состояла в разработке методики спектрального анализа нанокомпозитов кремния и эмульсионных материалов на их основе; проведение комплексных экспериментальных исследований новых эмульсионных нанокомпозитных материалов, позволяющих управлять спектральным составом прошедшего электромагнитного излучения в УФ-области спектра на основе нанокристаллического кремния, инкапсулированного в оболочку диоксида кремния.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  1. Охарактеризовать образцы нанокомпозитов кремния: определить элементный состав этих образцов, строение образуемых кластеров наночастиц, состав и размер внешней оболочки центрального ядра НК-Si; размер и степень кристалличности НК-Si. Определить их устойчивость к термическому воздействию и исследовать процессы их деградации при высокой температуре (до 1000 К) в атмосфере кислорода. Возможность ультразвукового диспергирования исследуемых образцов и получения устойчивых эмульсий на их основе.
  2. Разработать методику пробоподготовки и исследовать спектры пропускания эмульсионных сред с инкапсулированными наночастицами кремния в УФ диапазоне.
  3. Определить влияние окружающей оболочки композита на состояние поверхности НК-Si и нанокомпозита. Используя спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) исследовать дефектность структуры нанокомпозита на основе НК-Si и термоокислительные процессы на поверхности наночастиц на воздухе и в вакууме.

Объектом реализации указанных исследований являются композитные материалы на основе НК-Si.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика спектрального анализа нанокомпозитов и водно-эмульсионных сред, содержащих НК-Si, включающая:

  • спектры пропускания в направлении, параллельном падающему на образец зондирующему излучению и измерение спектров пропускания в интегрирующую сферу, что позволяет учитывать диффузное рассеяние вперед в телесный угол 2.
  • теоретический анализ величин пропускания эмульсий, содержащих наночастицы кремния разных размеров;
  • спектры комбинационного рассеяния образцов НК-Si для определения среднего размера центрального ядра кремния в композите

Предложенная методика зарегистрирована в Российском научно-техническом центре информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия (Аттестат ГСССД МЭ 131-2007 от 12 июля 2007 года).

2. Методом ЭПР-спектроскопии исследованы дефекты структуры в образцах нанокристаллического кремния, синтезированных плазмохимическим методом и лазеро-индуцированной декомпозицией силана;

3. Методами оптической спектроскопии, комбинационного рассеяния, электронного парамагнитного резонанса изучены термоокислительные процессы в композитах НК-Si. Установлено, что процессы термоокисления поверхности наночастиц являются многоканальными, при отжиге выше 600 К могут образовываться парамагнитные центры в результате гомолитического разрыва структурных групп SiH.

4. Предложена коррелятивная технология получения УФ-протектных композитных материалов с управляемыми спектральными характеристиками на основе выявленной взаимосвязи спектральных свойств нанокомпозита НК-Si от вида функции распределения по размерам центрального ядра, его структуры и состава оболочки наночастиц кремния. Впервые в качестве УФ-защитного компонента предлагается использовать нанокристаллический кремний.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований определены спектральные характеристики композитных материалов на основе нанокристаллического кремния. Показана возможность использования нанокристаллического кремния в качестве УФ-защитного агента в солнцезащитных эмульсионных средах. К числу достоинств создаваемых нанокомпозитных материалов по сравнению с другими известными протекторами УФ излучения следует отнести его экологическую чистоту, термическую устойчивость и отсутствие биологически вредных соединений, образующихся при деградации существующих коммерческих солнцезащитных средств под действием УФ излучения. Разработан метод создания и основы технологии для внедрения в производство нанокомпозитных материалов, позволяющих управлять спектральным составом прошедшего электромагнитного излучения в УФ области спектра, включающих устойчивые к УФ-излучению красители, лаки и солнцезащитные косметические средства. Разработанная методика экспериментального исследования спектральных характеристик водно-масляных эмульсионных сред с нанокристаллическим кремнием применима также для экспрессного анализа аналогичных композитных УФ-защитных материалов с другими наноразмерными неорганическими компонентами, в том числе и коммерческих солнцезащитных кремов и эмульсий.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. «Методика экспериментального исследования спектральных характеристик водно-эмульсионных композитных сред, содержащих наночастицы кремния», которая включает в себя комплексные измерения оптических спектров пропускания эмульсионных сред с учетом эффектов рассеяния и измерения спектров КР, с помощью которых можно определить размер центрального ядра нанокомпозита.
  2. Cтруктурные характеристики, средние размеры частиц нанокомпозитов и центрального ядра нанокристаллического кремния для образцов, полученных методом плазмохимического синтеза и лазерно-индуцированной декомпозиции моносилана.
  3. Параметры, характеризующие функцию распределения наночастиц по размерам, кореллятивная технология получения нанокомпозитов кремния.
  4. Влияние температуры отжига на качественное изменение спектров поглощения нанокомпозитов и на величину сигнала ЭПР в нанокомпозитах.
  5. Результаты исследования термоокислительных процессов методами оптической спектроскопии, комбинационного рассеяния и электронного парамагнитного резонанса. интенсивности сигнала ЭПР при нагреве нанокомпозитов.

Достоверность результатов обеспечена воспроизводимостью и самосогласованностью полученных результатов экспериментальных исследований, применением стандартной измерительной аппаратуры и приемов обработки данных.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей и 7 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конгрессах и конференциях. Получен Аттестат Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД) на разработанную методику спектрального анализа нанокомпозитов.

Личное участие автора. В совместных работах автор принимал участие в подготовке и проведении экспериментальных исследований, в обсуждении и компьютерной обработке полученных результатов, написании и подготовке работ к печати.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международной конференции молодых учёных по фундаментальным наукам "Ломоносов-2005" (Москва, 2005); Saratov Fall Meeting-SFM’05 (Саратов, 2005), International Congress on Analytical Science, «ICAS-2006» (Москва, 2006); Международной выставке: VI Московском Международном Салоне Инноваций 2006, работа награждена золотой медалью; Международной конференции по химической технологии (Москва, 2007); II Всероссийской конференции "Аналитика России", (Туапсе, 2007).





Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи. Показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях, структуре и объеме работы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней рассмотрены оптические свойства НК-Si при переходе от объемного кремния к наноразмерному. Описаны особенности анализа наноразмерных объектов, описаны основы физико-химических методов исследования наноматериалов. Дана классификация УФ-защитных материалов, описан механизм их действия, показана возможность использования НК-Si в качестве нового УФ-фильтра в солнцезащитных средствах.

По результатам анализа научно-технической и патентной литературы сформулированы основные задачи исследований. Обоснован выбор объектов и методов исследования.

Вторая глава посвящена описанию комплекса методик получения наноразмерных материалов, в частности, нанокристаллического кремния на примере плазмохимической технологии и метода лазерно-индуцированной декомпозиции моносилана SiH4 в поле излучения СО2-лазера.

Третья глава содержит описание методик исследования спектральных и структурных свойств композитных образцов НК-Si. Представлены результаты исследований методом Фурье ИК-спектроскопии поверхностной оболочки ядра НК-Si. Приведены и обсуждены результаты определения среднего размера ядра НК-Si в нанокомпозитах методами спектроскропии комбинационного рассеяния (КР) и морфологии нанокомпозита методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Представлены результаты изучения спектров пропускания нанокомпозитов на основе НК-Si в водно-масляной эмульсии. Приведен сравнительный анализ спектров пропускания полученных эмульсионных образцов с различным содержанием нанокристаллического кремния в направлении, параллельном падающему излучению и спектров пропускания этих же образцов в интегрирующую сферу. Представлены результаты рентгенофазового анализа, проведена оценка степени кристалличности исследуемых образцов НК-Si. Приведены изотермы низкотемпературной адсорбции азота на различных образцах НК-Si. Представлены поверхностные фрактальные размерности, структурные и морфологические параметры нанокомпозитов на основе НК-Si.

Четвертая глава посвящена описанию исследования влияния термообработки нанокомпозитов на их оптические характеристики и свойства оболочки нанокристаллического ядра. Приведены результаты изучения термического окисления образцов НК-Si методами оптической спектроскопии и спектроскопии КР, а также спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Представлены результаты исследования методом ЭПР для характеристики дефектности структуры, в том числе парамагнитных центров на поверхности НК- Si.

Материал диссертации изложен на 115 страницах, содержит 30 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 107 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектами исследования являются композитные материалы на основе инкапсулированных нанокристаллов кремния, а также эмульсионные среды, в которых диспергированы наночастицы кремния.

Получение нанокристаллического кремния. При выполнении работы нами были изучены нанокомпозиты, полученные с использованием методов синтеза и установок, позволяющих производить достаточно дешёвый материал требуемого качества в значительных количествах – до 1 кг/час на промышленных установках и до 50 г/час на лабораторных установках. Эти требования определялись стратегической целью настоящей работы, состоящей в разработке технологии и производства УФ-защитных косметических средств, лаков и красителей.

Плазмохимический метод. Синтез осуществлялся по методу и на установках, разработанных в ГНЦ ФГУП ГНИИХТЭОС. Процесс осуществлялся в замкнутом газовом цикле, при котором в систему вводился высокоочищенный аргон. В качестве реактора использовался плазменный испаритель-конденсатор, работающий в дуговом низкочастотном разряде. Исходное сырье-порошок кремния до 99.99 % чистоты подавался в реактор газовым потоком из соответствующего дозатора и испарялся при температуре 7000-10000 К. Полученный материал выгружался в инертной атмосфере в герметичную тару или перемещался в систему микрокапсулирования, где на поверхность частиц порошка наносился инертный защитный слой, предохраняющий его от воздействия атмосферы. При пассивации поверхности в атмосфере кислорода получали образцы I типа, в атмосфере кислорода с азотом - образцы II типа. В настоящей работе использовали также порошки, полученные в аргоновой атмосфере без специального добавления каких-либо других газов (образцы IV типа).

Метод лазерно-индуцированной диссоциации моносилана SiH4. Образцы III типа на основе НК-Si были получены по методу и на установках, разработанных в ИОФ РАН им. А.М. Прохорова. Образцы получали в проточном газодинамическом реакторе при скоростях потока SiH4~100 см3/мин и аргона (в качестве буферного газа) ~1000 см3/мин. Средние размеры частиц НК-Si, полученных при температуре буферного газа – аргона 293 К, составляли ~ 10 нм. Методика синтеза: излучение CO2 – лазера мощностью 100 Вт фокусировалось линзой, изготовленной из NaCl в пятно диаметром ~2 мм. Ось каустики излучения лазера проходила на расстоянии ~1 мм под газовым соплом. Газовая струя моносилана SiH4 (99.9%) формировалась газодинамическим соплом и пересекала сфокусированный лазерный луч в перпендикулярном направлении. Коаксиально газовой струе SiH4 распространялся поток аргона, который увеличивал скорость синтеза частиц кремния и служил в качестве газа-носителя. Порошок НК-Si собирали специальным коллектором в нижней части реакционной камеры при обычной воздушной атмосфере.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.