Получение и исследование новых материалов на основе системы CdS-ZnS для приборов-газоанализаторов экологического назначения Текст научной статьи по специальности «Химия»

Научная статья на тему 'Получение и исследование новых материалов на основе системы CdS-ZnS для приборов-газоанализаторов экологического назначения' по специальности 'Химия' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
другие авторы
Журнал
Выпуск № 1 (145) /
Коды
  • ГРНТИ: 31 — Химия
  • ВАК РФ: 02.00.00
  • УДK: 54
  • Указанные автором: УДК:541.183:621.315.592.4

Статистика по статье
  • 26
    читатели
  • 5
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
  • ОБЪЕМНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА
  • ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ (ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ) ЭЛЕМЕНТЫ
  • ПРИБОРЫ
  • ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ
  • NEW MATERIALS
  • BULK AND SURFACE PROPERTIES
  • SEMICONDUCTOR (HIGHLY SENSITIVE) ELEMENTS
  • GAS ANALYZERS

Аннотация
научной статьи
по химии, автор научной работы — КИРОВСКАЯ ИРАИДА АЛЕКСЕЕВНА, МИРОНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА, ГРИГАН АННА АНАТОЛЬЕВНА, ЗВЕРЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ, БЛЕСМАН АЛЕКСАНДР ИОСИФОВИЧ, ПОЛОНЯНКИН ДЕНИС АНДРЕЕВИЧ

По разработанной методике получены новые материалы твердые растворы (CdS)x(ZnS)1-x различного состава. На основе исследований их объемных (кристаллохимических, структурных) и поверхностных (кислотно-основных) свойств, установленных взаимосвязанных закономерностей в изменении таковых с составом даны практические рекомендации по использованию полученных материалов в качестве эффективных (высокочувствительных) полупроводниковых элементов приборов-анализаторов основных газов (типа NH3).

Abstract 2016 year, VAK speciality — 02.00.00, author — KIROVSKAYA IRAIDA ALEKSEEVNA, MIRONOVA ELENA VALERIEVNA, GRIGAN ANNA ANATOLIEVNA, ZVEREV MIHAIL ALEKSEEVICH, BLESMAN ALEKSANDR IOSIFOVICH, POLONYANKIN DENIS ANDREEVICH

According to developed methods new materials (CdS)x(ZnS)1-x solid solutions with different composition have been obtained. By analyzing volume (crystallochemical, structural) and surface (acid-base) properties, determined interrelate regularities on changing materials properties with composition practical recommendations for using obtained materials as efficient (highly sensitive) semiconductor elements of base gases analyzers (for example NH3) have been given.

Научная статья по специальности "Химия" из научного журнала "Омский научный вестник", КИРОВСКАЯ ИРАИДА АЛЕКСЕЕВНА, МИРОНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА, ГРИГАН АННА АНАТОЛЬЕВНА, ЗВЕРЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ, БЛЕСМАН АЛЕКСАНДР ИОСИФОВИЧ, ПОЛОНЯНКИН ДЕНИС АНДРЕЕВИЧ

 
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по химии , автор научной работы — КИРОВСКАЯ ИРАИДА АЛЕКСЕЕВНА, МИРОНОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНА, ГРИГАН АННА АНАТОЛЬЕВНА, ЗВЕРЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ, БЛЕСМАН АЛЕКСАНДР ИОСИФОВИЧ, ПОЛОНЯНКИН ДЕНИС АНДРЕЕВИЧ

Текст
научной работы
на тему "Получение и исследование новых материалов на основе системы CdS-ZnS для приборов-газоанализаторов экологического назначения". Научная статья по специальности "Химия"

УДК 541.183:621.315.592.4
И. А. КИРОВСКАЯ Е. В. МИРОНОВА А. А. ГРИГАН М. А. ЗВЕРЕВ А. И. БЛЕСМАН Д. А. ПОЛОНЯНКИН
Омский государственный технический университет
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ CdS-ZnS ДЛЯ ПРИБОРОВ-ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
По разработанной методике получены новые материалы — твердые растворы (CdS)I(ZnS)1-I различного состава. На основе исследований их объемных (кристаллохимических, структурных) и поверхностных (кислотно-основных) свойств, установленных взаимосвязанных закономерностей в изменении таковых с составом даны практические рекомендации по использованию полученных материалов в качестве эффективных (высокочувствительных) полупроводниковых элементов приборов-анализаторов основных газов (типа ЫН3).
Ключевые слова: новые материалы, объемные и поверхностные свойства, полупроводниковые (высокочувствительные) элементы, приборы, газоанализаторы.
Данная работа выполнена в рамках проектной части государственного задания Минобрнауки РФ № 4.2543.2014
Работа посвящена созданию эффективных полупроводниковых элементов газоанализаторов на основе системы СсЗБ^пБ. Являясь одной из новых полупроводниковых систем типа Л11Б¥1 — Л11Б¥;1 гомогенного замещения, она заключает в себе возможности регулирования и оптимизации свойств за счет изменения состава, а отсюда — возможности получения перспективных материалов современной техники, полупроводникового приборостроения [1—4].
Реализация таких возможностей существенно зависит от владения надежными методиками и знаниями объемных и поверхностных физико-химических свойств. Роль поверхностных свойств особенно велика в формировании полупроводниковых приборов, активная часть которых соизмерима с толщиной приповерхностных слоев, а также приборов, принцип действия которых непосредственно основан на электронных явлениях вблизи поверхности [5].
Соответственно, в данной работе анализируются результаты получения перспективных материалов — полупроводниковых элементов, выполненных рентгенографических, электронно-микроскопических исследований, определения кислотно-основных свойств поверхности.
Арсенал исследуемых объектов включал в себя порошки (преимущественно тонкодисперсные) бинарных халькогенидов СсЗБ, и их твердых рас-
творов (CdS)x(ZnS)1-x (х = 0,78; 0,77; 0,55; 0,25 мол.). Для получения твердых растворов была разработана (применительно к изучаемой системе CdS-ZnS) методика, базирующаяся на изотермической диффузии CdS, ZnS (в вакуумированных запаянных кварцевых ампулах, при температуре 1173 К), с использованием специальной программы температурного нагрева [4]. О завершении синтеза судили по результатам рентгенографического анализа, использованным затем для аттестации и определения структуры твердых растворов.
Рентгенографический анализ проводили на диф-рактометре D8 Advance фирмы «Bruker» (Германия) в CuKa — излучении (X = 0,15406 нм, Т = 293 К) по методике большеугловых съемок [6 — 8], с использованием позиционно-чувствительного детектора Lynxeye. Расшифровку полученных рентгенограмм (дифрактограмм) выполняли, используя базу данных по порошковой дифракции ICDDIPDF-2, уточнение параметров решетки — в программе TOPAS 3,0 (Bruker) по методу наименьших квадратов.
Электронно-микроскопические исследова-
ния осуществляли на сканирующем электронном микроскопе JCM-5700, снабженном безазотным рентгеновским энергодисперсионным спектрометром [9].
Кислотно-основные свойства поверхности изучали методами гидролитической адсорбции (определение рН изоэлектрического состояния —
рг, г/см
4-0 50
2в. град
Рис. 1. Схемы рентгенограмм компонентов системы CdS-ZnS:
Рис. 2. Зависимости значений параметров кристаллической решетки с (1), а (2) и рентгеновской плотности рг (3) компонентов системы CdS-ZnS со структурой вюрцита от состава
1 - CdS, 2 - ZnS„,22CdS№ 3 - ZnS
Таблица 1
Значения параметров кристаллической решетки (а, с), межплоскостных расстояний ^ьк1) и рентгеновской плотности (р ) компонентов системы CdS-ZnS
Х, (мольная доля CdS) Тип кристаллической решетки а, А с, А dhkl, А pr, г/см3
010 110 311
0 гекс. 3,822±0,001 6,263±0,001 3,165 1,923 1,243 4,086
0,78 гекс. 4,075±0,001 6,628±0,001 3,268 2,018 1,457 4,541
1 гекс. 4,151±0,001 6,711 ±0,001 3,348 2,057 1,792 4,843
рНизо), неводного кондуктометрического титрования, механохимии [10, 11].
Воспроизводимость и точность экспериментальных данных проверяли по результатам параллельных измерений с использованием методов математической статистики и обработки результатов количественного анализа. Статистическую обработку полученных численных значений, расчет погрешностей измерений, построение и обработку графических зависимостей проводили с использованием компьютерных программ Stat-2, Microsoft Exel и Origin.
Результаты рентгенографических исследований представлены на рис. 1, 2 и в табл. 1. Они свидетельствуют об образовании в системе твердых растворов замещения: соответствующие линии на рентгенограммах сдвинуты относительно линий бинарных компонентов при постоянном их числе (рис. 1); зависимости значений параметров решеток (а, с), межплоскостных расстояний (dhkl) и плотности (pr) от состава системы имеют плавный характер (рис. 2, табл. 1).
В соответствии с положением и распределением по интенсивности основных линий, компоненты системы имеют преимущественно гексагональную структуру вюрцита.
Отсутствие на рентгенограммах дополнительных линий, отвечающих непрореагировавшим бинарным компонентам, а также размытости основных линий указывают на полное завершение процесса синтеза и дополнительно — на образование твердых растворов.
На основе электронно-микроскопических исследований (рис. 3 — 5) определены элементный состав бинарных компонентов и твердых растворов, структура их поверхности, средний размер частиц, зависимость количества частиц определенного (среднего) размера от состава системы.
Элементный состав всех компонентов удовлетворительно согласуется с мольным составом, поверхность поликристаллична с неоднородным распределением кристаллитов, способных ассоциироваться в агломераты из зерен различных размеров.
Результаты электронно-микроскопических исследований подтвердили результаты микроскопических исследований: отмечаем практические совпадения в определении размера частиц, в зависимости количества частиц определенного (среднего) размера от состава системы.
Комплексное исследование кислотно-основных свойств (с привлечением методов определения рНизо, неводного кондуктометрического титрования,
Рис. 3. SEM — изображение порошка CdS в режиме фазового контраста
Рис. 6. Дифференциальные кривые кондуктометрического титрования компонентов системы CdS-ZnS, хранившихся на воздухе: 1 — CdS; 2 — (CdS)078 (ZnS)0 22; 3 — ZnS
Рис. 4. SEM — изображение порошка твердого раствора (CdS)078 (ZnS)022 в режиме фазового контраста
Рис. 5. SEM — изображение порошка ZnS в режиме фазового контраста
механохимии) позволило оценить силу, концентрацию, природу кислотных центров поверхности компонентов системы СёБ^пБ, экспонированных на воздухе.
О силе кислотных центров можно судить по значениям рНизо (рис. 6). В ряду СёБ ^ (Сё8)х^пБ)1х ^ ^ ZnS для контактировавших с воздухом поверх -
Рис. 7. Зависимость общей концентрации кислотных центров компонентов системы CdS-ZnS от состава
ностей они изменяются в пределе 6,5 — 6,8, отвечая слабокислой области и свидетельствуя о некотором превалировании кислотных центров. При такой характеристике поверхности логично ожидать ее повышенную адсорбционную активность по отношению к основным газам.
Обратимся к результатам неводного кондуктометрического титрования (рис. 7). Наличие на кривых До/ДУ — V трех и более пиков позволяет говорить о существовании на исходной (экспонированной на воздухе) поверхности всех компонентов системы CdS-ZnS различных типов кислотных центров и, соответственно, об образовании в твердых растворах катион-анионных комплексов, распределенных неравномерно [4, 11]. То есть определенному составу системы соответствуют свои, отличающиеся по силе, кислотные центры.
Рис. 8. Зависимость от состава рН-изоэлектрического состояния поверхности компонентов системы CdS-ZnS
Рис. 9. Кинетические изотермы диспергирования в воде компонентов системы CdS-ZnS:
Ответственными за кислотные центры, в согласии с ранее высказанными соображениями (см., например, [5, 10, 11]), могут выступать координационно-ненасыщенные атомы (центры Льюиса), адсорбированные молекулы воды и группы ОН- (центры Бренстеда). В данном случае, при значениях рНизо < 7 основной вклад в кислотно-основное состояние вносят, скорее всего, координационно-ненасыщенные атомы, отличающиеся эффективным зарядом (яэф). Подтверждением являются смещение точки рН в направлении повышения кислотности с увеличением содержания СсЗБ, корреляции между зависимостями «рНизо — состав», «относительная активность свежеобразованной поверхности — состав», «С — состав» (С — общая
общ у общ 1
концентрация кислотных центров, рассчитанная по всем пикам дифференциальных кривых неводного кондуктометрического титрования (рис. 7 — 9). Они носят экстремальный характер: с минимумом для Собщ и максимумом для относительной активности свежеобразованной поверхности при одном и том же составе системы (С<38)078(2п8)022.
При выяснении природы кислотно-основных центров полезными оказались результаты механо-химических исследований, которые показали небольшое подщелачивание среды (воды) по истечении 7—10 мин диспергирования в ней крупнодисперсных порошков бинарных компонентов (СсЗБ, 2пБ) и твердого раствора (^8)0 78(2п8)022) (рис. 9).
Принимая во внимание предложенную нами ранее (см., например, в [5, 10, 11]) схему механизма протекающих при этом явлений, важно подчеркнуть «высвечивающуюся» роль поверхностных координационно-ненасыщенных атомов. Именно вследствие взаимодействия воды с координационно-ненасыщенными атомами (Б), находящимися на вновь созданной поверхности, образуются кислоты Н2Б04, Н2Б03, которые в процессе механохимиче-ского воздействия переходят в раствор, отщепляя свои остатки (Б042-, Б032-). Гидролиз остатка слабой кислоты (Б032-) и обусловливает подщелачивание среды.
Заключение. Впервые (для заданных составов) получены и аттестованы новые материалы — твердые растворы замещения (С<38)х(2п8)1х. С использованием комплекса методов изучены их объемные
(кристаллохимические, структурные) и поверхностные (кислотно-основные) свойства, в сравнении с бинарными соединениями (СсЗБ, 2пБ).
Установлены закономерности в изменении изученных свойств с составом, взаимосвязь между закономерностями. При этом обнаружены преобладающие проявления как статистического фактора (относительно а, рг, <3Ш), так и экстремального (относительно кислотно-основных характеристик).
Даны толкования фактов о природе, силе, концентрации кислотных центров, кислотно-основных взаимодействиях на поверхности полупроводников системы СсЗБ^пБ, важные не только для подтверждения ранее предложенных механизмов атомно-мо-лекулярных взаимодействий, но и для поиска новых, перспективных материалов — эффективных (высокочувствительных) полупроводниковых элементов газоанализаторов микропримесей основных газов (типа ИИ3), без проведения прямых, трудоемких адсорбционных исследований.
Библиографический список
1. Мясников, И. А. Полупроводниковые детекторы активных частиц в физико-химических исследованиях / И. А. Мясников [и др.] // Журн. Всесоюз. хим. о-ва. — 1975. — Т. 20. — № 1. - С. 19-32.
2. Черепин, В. Г. Методы и приборы для анализа поверхности материалов / В. Г. Черепин, И. А. Васильев. — Киев : Наукова думка, 1982. — 399 с.
3. Малов, В. В. Пьезорезонансные датчики / В. В. Малов. — М. : Энергия, 1978. — 248 с.
4. Кировская, И. А. Твердые растворы бинарных и многокомпонентных полупроводниковых систем / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. — 400 с.
5. Кировская, И. А. Поверхностные явления / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2001. — 176 с.
6. Миркин, С. Е. Справочник по рентгеноструктурному анализу / С. Е. Миркин. — М. : Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1961. — 863 с.
7. Горелик, С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Ска-ков. — М. : Металлургия, 1970. — 107 с.
8. Смыслов, Е. Ф. Экспрессный рентгеновский метод определения периода решетки нанокристаллических матери-
1 — CdS, 2 — ZnS, 3 — ^)078 ^)022
алов / Е. Ф. Смыслов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2006. — Т. 72. — № 5. — С. 33 — 35.
9. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2 кн. Кн. 1 / Дж. Гоулдстейн [и др.] ; пер. с англ. — М. : Мир, 1984. — 303 с.
10. Кировская, И. А. Поверхностные свойства алмазопо-добных полупроводников. Химический состав поверхности. Катализ / И. А. Кировская. — Иркутск : Изд-во ИГУ, 1988. — 220 с.
11. Кировская, И. А. Поверхностные свойства бинарных алмазоподобных полупроводников / И. А. Кировская. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. — 416 с.
КИРОВСКАЯ Ираида Алексеевна, доктор химических наук, профессор (Россия), руководитель научно-образовательного центра «Химические исследования», заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации.
МИРОНОВА Елена Валерьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии, научный сотруд-
ник научно-образовательного центра «Химические исследования».
ГРИГАН Анна Анатольевна, аспирантка кафедры «Химическая технология и биотехнология». ЗВЕРЕВ Михаил Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры физики, научный сотрудник научно-образовательного центра «Химические исследования».
БЛЕСМАН Александр Иосифович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры физики, директор Научно-образовательного ресурсного центра нанотехнологий.
ПОЛОНЯНКИН Денис Андреевич, кандидат педагогических наук, старший преподаватель кафедры физики, инженер Научно-образовательного ресурсного центра нанотехнологий. Адрес для переписки: phiscem@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 13.01.2016 г. © И. А. Кировская, Е. В. Миронова, А. А. Григан, М. А. Зверев, А. И. Блесман, Д. А. Полонянкин
УДК 519.653 681.5158 А. В. МАЙСТРЕНКО
А. А. СВЕТЛАКОВ Н. В. СТАРОВОЙТОВ
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
ЦИФРОВОЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАНА СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ СКОЛЬЗЯЩЕЙ КВАДРАТИЧНОЙ АППРОКСИМАЦИИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СИНТЕЗЕ ПИД-РЕГУЛЯТОРОВ
Разработан метод цифрового дифференцирования сигналов, основанный на применении скользящей квадратичной аппроксимации и псевдообратных матриц. На его основе синтезирован новый ПИД-регулятор, обладающий существенными преимуществами, к которым можно отнести более высокую помехоустойчивость, точность и качество регулирования, а также достаточно простую программную и аппаратную реализацию.
Ключевые слова: аппроксимация, псевдообратная матрица, цифровое дифференцирование сигналов, ПИД-регулятор.
Введение. В настоящее время наиболее широкое распространение в системах автоматического и автоматизированного управления получили так называемые ПИД-регуляторы [1, 2]. Это произошло благодаря тому, что данные регуляторы, достаточно просто устроены, имеют низкую себестоимость изготовления и во многих случаях обеспечивают соблюдение заданных режимов реализации технологических процессов с необходимой точностью. Однако, как показывает практика применения данных регуляторов, они имеют и ряд известных недостатков [2], которые существенно ограничива-
ют область их применения. Ниже анализируются причины, обусловливающие данные недостатки, и предлагается метод, позволяющий синтезировать новый ПИД-регулятор, обеспечивающий более высокую эффективность регулирования управляемых процессов и объектов. Приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований данного регулятора и его сравнения с классическим ПИД-регулятором.
Анализ недостатков ПИД-регуляторов и возможностей их устранения. Как известно [2], большинство современных ПИД-регуляторов, как

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх