CC BY
47
Герман Евгений Иванович, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Цыдыпов Шулун Балдоржиевич, доктор технических наук, зав. кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а, Shulun@bsu.ru
Гладких Алексей Анатольевич, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Парфенов Владимир Николаевич, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Пурбуева Мария Михайловна. аспирант, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
German Evgeniy Ivanovich, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Tsidipov Shulun Baldorzhievich, Doctor of Technical Sciences, Head of Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Gladkikh Alexey Anatolievich, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University,
Parfyonov Vladimir Nikolaevich, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Purbueva Maria Mikhailovna, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
УДК: 537.9, 536.425 © Ш.Б. Цыдыпов, М.М. Пурбуева, Е.И. Герман,
А.А. Гладких, В.Н. Парфенов, А.В. Иванов
ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ТОКИ В МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИЛИКАТНЫХ СТЕКЛАХ
Исследованы токи термостимулированной деполяризации с поверхностной тонкой пленкой воды в широком диапазоне температур. Полученные результаты указывают на влияние электрически активной подложки на закономерности фазовых и структурных переходов в тонких пленках полярных жидкостей и указывают на полислойную физически неоднородную структуру этих пленок.
Ключевые слова: жидкость, стекло, пленка, фазовый переход, структура
Sh.B. Tsidipov, M.M. Purbueva, E.I. Herman, A.A. Glagkikh, V.N. Parfyonov, A.V. Ivanov
THERMO-STIMULATED CURRENTS IN FINELY DISPERSED THREE-COMPONENTIAL SILICA GLASSES
Currents of thermo-stimulated depolarization with the thin water films are investigated in the wide temperature range. The results indicate the influence of electrically active substrate on the regularities ofphase and structural transitions in thin films ofpolar liquids and indicate multilayer physically heterogeneous structure of these films.
Keywords: liquid, glass, film, phase transition, structure
В последнее время интересы исследователей направлены на изучение процессов, связанных с генерацией электрической энергии тонкими водосодержащими слоями [1-4]. Обнаруженное явление объясняется на основе принципа структуризации водной среды. Предполагается, что возникновение разности потенциалов обусловлено процессом структурирования водной среды, которое инициируется неоднородным электрическим полем, существующим вблизи наноразмерных структурных или параметрических неоднородностей проводящих поверхностей, контактирующих с молекулами воды. Несмотря на то, что суммарный заряд дисперсной системы, как и нейтрального кристалла, равен нулю, в новых условиях после механической обработки дефекты твердой фазы приобретают заряд. В связи с неравновесностью, появляется способность поверхностных электрических дефектов такой субстанции к эффективной адсорбции полярных молекул из окружающей среды.
В гетерогенных двухфазных средах, содержащих ультраразмерные частицы алюмосиликата, погруженные в водную полярную матрицу, на межфазных границах возникает интенсивное кулонов-ское взаимодействие зарядов, находящихся на электрически активной поверхности частиц твердого вещества, с полярными молекулами и ионами водной пленки. При наличии многочисленных границ
раздела в таких сложных дисперсных системах суммарный эффект межфазных взаимодействий становится особенно сильным и является определяющим для процесса генерации собственных электрических полей. Этот факт свидетельствует об электрической активности системы и о формировании в ней устойчивого собственного электрического поля.
В связи с этим, целью работы являлось изучение механизма межфазного взаимодействия в гидратированных мелкоразмерных дисперсных трехкомпонентных силикатных стеклах. Был использован метод термостимулированной спектроскопии (ТСТ). Объекты исследования были приготовлены посредством дробления и растирания в фарфоровой ступе трехкомпонентных силикатных стекол в результате, которого были получены мелкодисперсные дисперсные системы частиц. Образцы с фиксированной массой помещались в специально сконструированную измерительную ячейку, представляющую собой плоский конденсатор с алюминиевыми электродами диаметром 1,5 см. Напряжение на электроды измерительной ячейки не подавалось. В связи с этим в эксперименте наблюдались процессы, происходящие только под действием внутреннего электрического поля.
Термостимулированные токи регистрировались в режиме короткозамкнутого образца с помощью чувствительного вольтметр-электрометра В7-49. Погрешность измерения тока составляла 1015А. Полученные данные поступали в память персонального компьютера с аналого-цифрового преобразователя. Регистрация термостимулированных токов в дисперсной системе производилась при линейном нагреве образца с постоянной скоростью 1 град/мин. в интервале температур от 20 до 4000С. В связи с тем, что на электродах измерительной ячейки отсутствовало внешнее напряжение, динамика наблюдаемых спектров ТСТ зависела только от распределения собственных внутренних электрических полей, создаваемых локализованными носителями термоэлектретного заряда системы. Наблюдение динамики термостимулированных токов позволяет получить полную информацию о природе элек-третного состояния и его характеристиках в объекте исследования. Преимуществом метода ТСТ является возможность получения спектра энергии локализации зарядов в ловушках, что позволяет выявить структуру вещества и особенности его энергетического состояния.
I, 1О10А
Рис. 1. Спектры термостимулированных токов для мелкодисперсного трехкомпонентного силикатного стекла 10% КагО, 30% СаО, 60% 8Юг с величинами адсорбции водной компоненты 6,3%
I, 10 А
06.0 1 .20 1 2
Рис. 2. Спектры термостимулированных токов для мелкодисперсного трехкомпонентного силикатного стекла ПГо^О, 11% СаО, 78% SlO2
На рис. 1 и 2 представлены термограммы токов для образцов механоактивированных мелкоразмерных трехкомпонентных силикатных стекол, погруженных в водную полярную матрицу. Полученные зависимости термостимулированных токов характеризуются наличием в исследуемом температурном интервале нескольких доминирующих максимумов различной интенсивности и ширины. Этот факт предполагает наличие в рассматриваемой системе сложного механизма процессов электропереноса и релаксации зарядов. Интенсивная релаксация термостимулированных токов при отсутствии внешнего напряжения на электродах является свидетельством образования внутренней разности потенциалов между этими электродами, наличия каналов ионной проводимости, а также свободных носителей заряда, источниками которых являются как ионы полярной матрицы, так и заряды твердой фазы [2, 3]. Формирование доминирующих максимумов в спектрах термостимулированных токов вызвано образованием структурных поляризованных заряженных дефектов, которые до начала процесса термической активации находились в потенциальных ловушках твердой компоненты гетерогенной системы.
Каждый максимум тока в спектре ТСТ соответствует электретному заряду определенного типа. При низких температурах носителями заряда являются ионы жидкой полярной компоненты. Под действием собственного внутреннего поля двухфазной системы, происходит преимущественно ионизация полярных молекул воды. Согласно теории Пула-Френкеля , электрическое поле способствует уменьшению энергии ионизации полярных молекул. Это приводит к диссоциации молекул жидкой фазы и, связанным с ней, увеличением концентрации свободных ионов п
п ехр
Ц_0_
kT
ехр
~кТ~
(1)
где п - постоянная Лошмидта жидкой среды, и0 - энергия, необходимая для диссоциации молекул в отсутствие электрического поля, Е - напряженность внутреннего поля, а - постоянная, зависящая от структуры жидкости. По спектрам ТСТ вычислены энергия активации носителей заряда
и, =
к [ Т,
А Т..
(2)
и плотности электретных зарядов
(3)
где положение пикового максимума тока Т1, тах и его ширина АТ1 определяются экспериментально, где S - площадь электрода; в - скорость нагрева; Т, К - температура; I - величина тока; к - постоянная Больцмана; АТ1 -ширина температурного интервала максимума термоактивационного тока.
Рассчитанные по спектрам ТСТ в соответствии с выражениями (2) и (3) энергии активации носителей заряда ип и плотности оп, мелкодисперсного стекла представлены в табл.
Таблица
Физические параметры электретного состояния мелкодисперсного трехкомпонентного силикатного стекла с величиной адсорбции водной компоненты ф = 6,3%
Состав диспергированногостекла № максимума Т оС А тах? и, эВ с, Кл/м2
10% №20, 30% СаО, 60% Si02 1 49 0,17 11,8
2 111 1,81 0,17
3 129 0,87 0,3
4 267 0,26 24,0
11% №20, 11% СаО, 78% Si02 1 48 0,19 31,9
2 311 0,65 51,1
3 389 0,72 234,3
4 399 0,49 322,6
п
2
т ах
Полученные данные позволяют оценить релаксационные характеристики термостимулированных токов в изучаемой системе. В спектрах ТСТ (рис. 1 и 2) можно выделить две области. В интервале низких температур 20-80°С наличие доминирующих максимумов тока при Т1 = 49°С и Т2 = 48°С может быть связано с накоплением межфазных гетерозарядов под действием внутреннего электрического поля, а также с особенностями структуры водной компоненты [2, 3]. Экспериментально установлено, что температурное положение таких максимумов не зависит от концентрации полярной водной фазы, а также от структуры, размеров и химического состава твердой компоненты. Такие
максимумы токов характерны как для неорганических, так и для органических дисперсных неупорядоченных систем [2, 3].
На границе контакта водной компоненты с электрически активной поверхностью низкоразмерных частиц происходит накопление свободных зарядов. Источником таких зарядов являются процессы диссоциации в полярной жидкой матрице системы, в ходе которых молекулы воды распадаются на ионы. Согласно теории Пула-Френкеля, диссоциация молекул жидкости в окрестности температуры 490С происходит преимущественно под действием внутреннего электрического поля, поскольку величина энергии теплового движения молекул недостаточна для их ионизации.
Накопление межфазного заряда и характерное время его релаксации обусловлены Максвелл-Вагнеровским механизмом поляризации [2, 3]. Эти параметры связаны с содержанием водной компоненты в исследуемой системе и активностью поверхности входящих в ее состав мелкоразмерных ме-ханоактивированных частиц. При низких температурах находящиеся в водной пленке заряды удерживаются, преимущественно, вблизи активных центров поверхности частиц слюды, которые создают потенциальный барьер, препятствующий свободному движению захваченных зарядов. Регистрация токов в системе осуществляется только вследствие наличия в ней градиентов потенциала внутренних собственных электрических полей, свободных ионов и каналов ионной проводимости.
Максимум термотока, обнаруженный в спектре ТСТ при 1110С (рис. 1), по всей вероятности связан с перестройкой структурированной воды в объемное состояние [2, 3]. При этой температуре происходит тепловое разрушение упорядоченной структуры связанных слоев водной пленки. Направление диполей водных молекул в них становится хаотическим, что приводит к значительному уменьшению потенциального барьера, удерживающего рассматриваемые заряды вблизи поверхности. Наибольшая амплитуда максимума тока при этой температуре может быть объяснена интенсивным проявлением свойств структурированной воды (из-за уменьшения концентрации водной компоненты) и увеличением электрической активности частиц стекла. Следовательно, максимум тока в области этих температур, характеризует наличие связанной воды в исследуемых электроактивных системах. При этой температуре связанная вода переходит в обычное объемное состояние, и амплитуда максимума тока зависит от концентрации связанной воды в системе.
Эффективность кластеризации структуры полярной воды напрямую связана с активностью поверхности твердой фазы, с которой жидкая полярная фаза взаимодействует. Подтверждением эффективности межфазного взаимодействия является также увеличение плотности заряда, вычисленной по профилю термостимулированного тока.
В интервале температур 80-160°С максимум тока проявляет зависимость от величины адсорбции и от поверхностной активности мелкоразмерных частиц стекла. Появление этого пика связано с термическим разрушением и освобождением ионов из дефектных областей, расположенных на поверхности и в объеме частиц стекла. Значительная амплитуда максимума тока свидетельствует о большой концентрацией накопленных зарядов на межфазных границах.
Литература
1. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. - М.: Наука, 1991. - 248 с.
2. Карнаков В.А., Ежова Я.В., Марчук С.Д. и др. Термоактивационная спектроскопия тонких прослоек воды // Изв. вузов. Физика. - 2008. - Т.51, №8. - С. 57-60.
3. Борисов В.С., Карнаков В.А., Щербаченко Л.А. и др. Особенности поляризации тонких пленок воды в поле активной поверхности кристалла слюды // ФТТ. - 2008. - Т.50, Вып.6. - С. 980-985.
4. Suszynska M., Macalik B., Krajczyk L., Capelletti R. Microstructure and thermally stimulated sepolarisation currents of SLS glass partially substituted by copper // J. Alloys and Compounds. - 2004. - V.378, №1-2. - С. 155-158.
Цыдыпов Шулун Балдоржиевич, доктор технических наук, зав. кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а, Shulun@bsu.ru
Пурбуева Мария Михайловна, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Герман Евгений Иванович, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Г ладких Алексей Анатольевич, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Парфенов Владимир Николаевич, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Иванов Александр студент, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина 24а
Tsidipov Shulun Baldorzhievich, Doctor of Technical Sciences, Head of Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Purbueva Maria Michailovna, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
German Evgeniy Ivanovich, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Gladkikh Alexey Anatolievich, postgraduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Parfyonov Vladimir Nikolaevich, post graduate, Chair of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
Ivanov Alexandr Vladimirovich, student, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolina St., 24a
УДК: 537.9, 536.425 © Л.А. Щербаченко, В.И. Донской, В.А. Карнаков,
Е.В. Комаров, А.А. Трошев, С.С. Барышников, Н.А. Шурыгина, Д.А. Краснов, Д.С. Барышников, Л.И. Ежова, В.В. Левит
ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В МИКРОРАЗМЕРНЫХ ВОДНЫХ ПЛЁНКАХ В НЕРАВНОВЕСНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
Исследованы токи термостимулированной деполяризации и диэлектрический отклик кристалла мусковита с введенной в его раскол тонкой пленкой воды в широком диапазоне температур. Полученные результаты подтверждают влияние электрически активной подложки на закономерности фазовых и структурных переходов в тонких пленках полярных жидкостей и указывают на полислойную физически неоднородную структуру этих пленок.
Ключевые слова: жидкость, мусковит, пленка, кристалл, переход, фаза, структура
L.A. Shcherbachenko, V.I. Donskoy, V.A. Karnakov, E.V. Komarov, A.A. Troshev, S.S. Barishnikov, N.A. Shurigina, D.A. Krasnov, D.S. Barishnikov, L.I. Ezhova, V.V. Levit
PHASE AND STRUCTURAL TRANSITIONS IN MICROSIZED WATER FILMS IN DISBALANCED HETEROGENEOUS SYSTEMS
Currents of thermoinduced depolarization and dielectric response of muscovite crystal due to the thin water film in it in a wide range of temperatures were studied. The results obtained demonstrate the impact of electrically active surface on the regularity ofphase and structural transition in thin film ofpolar liquids and are indicative of multilevel and physically heterogeneous structure of the film.
Keywords: liquid, muscovite, film, crystal, transition, phase, structure
Одной из современных проблем физики конденсированного состояния является изучение взаимосвязи между структурой твердых тел и их физическими свойствами. В ряде публикаций исследуются электрофизические и макроструктурные свойства гетерогенных систем, включающих электрически активную твердую компоненту и полярную жидкую среду [1-5]. Как известно, такие системы содержат локальные микрообласти, в которых под действием внутренних электрических полей происходит изменение структурных параметров этих полярных жидкостей. Наиболее чувствительными методами изучения структуры твердых и жидких тел и ее изменения являются термостимулированная и диэлектрическая спектроскопии, которые использованы в данной работе. Представлены результаты исследования структурных особенностей тонких пленок воды в расколах кристалла слюды Существенной особенностью рассматриваемого объекта является интенсивное электрическое взаимодействие заряженной поверхности твердой фазы (кристалл слюды) и полярных молекул водной компоненты, которое вызывает образование упорядоченных молекулярных структур в жидкой среде [5-7]. Основное внимание уделяется не только локальным структурным переходам в полярной жидкости, но и их влиянию на изменение электрофизических свойств, как самой водной пленки, так и всей системы в целом.
