CC BY
260
Аверин И.А, Карманов А.А.,Печерская Р.М., Пронин И.А.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОЛЯ ОРТОКРЕМНЕВОЙ КИСЛОТЫ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОМЕТРИИ
Золь-гель технология позволяет получать наноструктурированные плёнки с контролируемой морфоструктурой, которые находят широкое применение в приборах нано- и микроэлектроники, в частности для создания чувствительных элементов газовых сенсоров[1]. Известно, что газочувствительные плёнки получают на основе золя ортокремневой кислоты, содержащего в качестве прекурсора соль олова или индия. Причем качество плёнок, общая пористость поверхности, а также размер пор определяются в том числе массовой долей прекурсора [2]. Поэтому важной задачей является контроль качественного и количественного состава золя. ИК-спектрометрия, являясь неразрушающим экспресс-методом позволяет по положению полос и пиков поглощения в спектрах пропускания определить качественный состав, а по эмпирической зависимости пропускания излучения системой от содержания компонентов определить количественный состав.
Рассмотрим методы исследования качественного состава золей. На рисунке 1 представлен ИК-спектр МНПВО (многократного нарушения полного внутреннего отражения) золя ортокремневой кислоты в спектральном диапазоне 700 - 4000 см-1. Для проведения измерения использовался метод нарушения полного внутреннего отражения, который обеспечивает исследование образцов с высоким коэффициентом поглощения .
Из рисунка 1 видно, что исследуемый золь имеет ряд характерных полос поглощения, которые в диапазоне 3100 - 3600 см-1 и 2800 - 3100 см-1 отвечают валентным колебаниям связей O-H и C-H соответственно, в том числе пик поглощения 2960 см-1 принадлежит углеводородному радикалу CH3.
В ИК-спектре пропускания золя ортокремневой кислоты наблюдается полоса поглощения 1350-1500 см-1, которая соответствует деформационным колебаниям связей C-H. Пик поглощения 790 см-1 характеризует внеплоскостные деформационные колебания связей C-H [4].
ИК-спектр исследуемого золя имеет пик поглощения 1270 см-1, который отвечает валентным колебаниям простых связей C-C. Наличие данных полос и пиков поглощения указывает на присутствие в составе золя этилового спирта.
В спектральном диапазоне 1000-1250 см-1 существует глубокая полоса поглощения с минимумом пропускания при 1080 см-1 и слабым плечом при 1180 см-1, связанная с продольными, поперечными и смешанными колебаниями Si-O-Si связей. Пик поглощения 970 см-1 соответствует валентным колебаниям связей Si-OH. Наличие данных полос и пиков поглощения указывает на присутствие в составе золя ортокремневой кислоты.
ИК-спектрыМНПВО золей ортокремневой кислоты. Золь №2 содержит прекурсор - SnCl2-2H2O, золь №3 -In(NO3)3-4,5H2O, золь №1 не содержит прекурсоров. Измерения проводились в спектральном диапазоне 700 - 4000 см-1 методом нарушения полного внутреннего отражения.
ИК-спектры МНПВО исследуемых золей практически идентичны, что указывает на близкий качественный состав, рисунок 2. Однако спектры золей ортокремневой кислоты, содержащих прекурсоры, имеют ряд отличий. В спектральном диапазоне 3100 - 3600 см-1, который отвечает валентным колебаниям O-H связей, наблюдается уменьшение доли инфракрасного излучения проходящего через золь, что объясняется увеличением содержания в составе золя Н20.
Рисунок 2 - Инфракрасные спектры МНПВО золей ортокремневой кислоты, содержащих различные прекурсоры
Более подробно рассмотрим изменения ИК-спектров МНПВО золей в спектральном диапазоне 700 -
2000 см-1 (рисунок 3) .
Из рисунка 3 видно, что в спектральном диапазоне 1000 - 1250 см-1, который отвечает поперечным, продольным и смешанным колебаниям Si-O-Si связей, наблюдается увеличение доли ИК-излучения проходящего через золь. Это объясняется уменьшением массовой доли гидроксида кремния вследствие увеличения массовой доли гидроксида олова или гидроксида индия.
Сильное увеличение доли инфракрасного излучения, проходящего через золь на пике поглощения 970 см-1, отвечающего валентным колебания Si-OH связей, а также на пике поглощения 790 см-1, ха-рактеризуещего внеплоскостные деформационные колебания C-H связей, объясняет наличием в составе золей прекурсоров.
Рисунок 3 - ИК спектры МНПВО золей в спектральном диапазоне 700
2000
см
-1
В ИК-спектре МНПВО золя №3 наблюдается слабый пик поглощения при 820 см-1, который соответствует валентным колебаниям In-OH связей. Наличие данного пика поглощения указывает на присутствие в составе золя прекурсора - In(NO3)3-4,5H2O, которые претерпели гидролиз, в результате чего образовался гидроксид индия. Полоса поглощения характерная для валентных колебаний Sn-OH связей лежит вне диапазона измерения.
Рассмотрим определение количественного состава золей. На рисунке 4 представлен инфракрасный спектр МНПВО золя ортокремневой кислоты, содержащий различную массовую долю прекурсора -SnCl2-2H2O. Измерения проводились в спектральном диапазоне 700 - 1300 см-1 методом нарушения полного внутреннего отражения.
Из рисунка 4 видно, что исследуемый золь имеет ряд характерных полос поглощения. В спектральном диапазоне 1000 - 1100 см-1 существует глубокая полоса поглощения с минимумом пропускания при 1080 см-1, связанная с продольными и поперечными колебаниями Si-O-Si связей. В диапазоне 900 -1000 см-1 наблюдается пик поглощения при 970 см-1, который соответствует валентным колебаниям Si-OH связей
Рисунок 4 - Инфракрасный спектр МНПВО золя ортокремневой кислотыразличноймассовой доли прекурсора
- SnCl2 • 2H2O
Для определения количественного состава золя ортокремневой кислоты, с прекурсором - SnCl2-2H2O, используются пики поглощения при 970 см-1 или при 1080 см-1. Более подробно рассмотрим ИК-спектр золя в диапазоне 900 - 1000 см-1 (рисунок 5).
Рисунок 5 - ИК-спектры МНПВО золей
При увеличении массовой доли гидроксида кремния по отношению к гидроксиду олова происходит уменьшение доли излучения, проходящего через исследуемый золь, что полностью согласуется с законом Ламберта-Бугера-Бера, рисунок 5.
Построим зависимость пропускания инфракрасного излучения от массовой доли гидроксида кремния (рисунок 6) на пике поглощения 970 см-1.
Рисунок 6 - Зависимость пропускания ИК-излучения от массовой доли гидроксида кремния на пике поглощения 970 см-1 (прекурсор SnCl2*2H2O)
Рассмотрим ИК-спектр МНПВО золя ортокремневой кислоты в диапазоне 1020 - 1120 см’1 (рисунок 7)
Из рисунка 7 видно, что при увеличении массовой доли гидроксида кремния по отношению к гидроксиду олова происходит уменьшение доли излучения, проходящего через исследуемый золь, что полностью согласуется с законом Ламберта-Бугера-Бера.
Построим зависимость пропускания инфракрасного излучения от массовой доли оксида кремния (рисунок 8) на пике поглощения 1080 см’1.
Рисунок 8 - Зависимость пропускания ИК-излучения от массовой доли гидроксида кремния на пике поглощения 1080 см-1 (прекурсор SnCl2*2H2O)
Таким образом, инфракрасная спектрометрия по положению полос и пиков поглощения в инфракрасных спектрах пропускания позволяет определить качественный состав золей. На основе эмпирической зависимости интенсивности от массовой доли компонентов позволяет определить количественный состав золей ортокремневой кислоты, содержащих различные прекурсоры. Для исследования образцов с высоким коэффициентом поглощения необходимо использовать метод нарушения полного внутреннего отражения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», мероприятие 1.4.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белл Р. Дж. Введение в фурье-спектроскопию.- М.: Мир, 1975 - 382 с.
2. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. -Элмор.-2008. -225 с.
