CC BY
32
УДК 538.95
Канаева А.С., Лиманская А.Ю, , Карманов А.А., Пронин И.А., Аверин И.А,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АДСОРБЦИИ ОН-ГРУПП НА ПОВЕРХНОСТИ И В ОБЪЕМЕ ПОРИСТЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ 8!О2-8пО2
Актуальность исследования определяется научным и практическим интересами в области создания новых нанокристаллических материалов, отличающихся высокой каталитической активностью, селективностью к анализируемым газам, термостабильностью. Цель работы: разработка методики и исследование особенностей адсорбции ОН-групп на поверхности и в объеме пористых наноком-позиционных материалов на основе SiO2-SnO2 с помощью ИК Фурье - спектрометра. Объектом исследования являются нанокомпози-ционные материалы на основе SiO2-SnO2различного состава, полученные золь-гель технологией. Исследовано влияние температуры отжига на концентрацию компонентов в составе золя. Ключевые слова:
оксиды металлов, исследование, Фурье-спектроскопия, золь-гель.
были получены в [4-5] , использова-Для их приготов-
В последние годы возникает большой интерес к нанокристаллическим материалам. Катализаторы, нанокерамика, композиционные материалы, поли-мернеорганические нанокомпозиты, нанокристалли-ческие жаропрочные сплавы — вот только начало списка материалов, которые уже сегодня производятся в промышленных объемах и широко используются.
Рост интереса к вышеперечисленным материалам стимулировал значительную активность в исследовании их свойств. Одними из основных и универсальных экспериментальных методов для определения качественного и количественного состава веществ являются рентгенодифрационные методы и Фурье - спектроскопия [1-2].
Фурье-спектроскопия (англ. Fourier-
transformed spectroscopy) — метод оптической спектроскопии, позволяющий получать спектр в результате обратного Фурье-преобразования интер-ферограммы исследуемого излучения, зависящей от оптической разности хода двух лучей и представляющей собой Фурье-образ спектра (функцию распределения энергии излучения по частоте) [3].
Методика эксперимента
Экспериментальные образцы рамках золь-гель технологии лись золи на основе SiO2-SnO2. ления применялись:
Тетраэтоксисилан Si(OC2H5)4.
Этиловый спирт C2H5OH.
Дистиллированная вода.
SnCl2*2H2O.
Время созревания золей 2 часа, а температура - 25°С. Гидролиз проводился в кислой среде (в качестве катализатора использовалась соляная кислота HCl). Подложками для получения пленок служил монокристаллический кремний. Золь на подложки наносился методом центрифугирования при скорости 3000 об/мин в течение 60 с. Отжиг проводился при 100°С-600°С в течение 30 минут.
Для исследования количественного состава образцов SiO2-SnO2 использовался метод ИК-спектро-скопии, который позволяет определить связи между атомами и их концентрацию в анализируемом материале.
Для исследования образцов использовался Фурье-спектрометр марки ФСМ 1201. Типичные спектрограммы образцов, полученных при температурах
отжига 100° С, 200° С... 600° С, представлены на рис. 1.
Детальный анализ качественного состава полученных экспериментальных образцов представлен в работах [6-7]. Для исследования особенностей адсорбции OH-групп на поверхности и в объеме пористых нанокомпозиционных материалов на основе SiO2-SnO2 использовались пики поглощения на об-
ратной длине волны 2590 см 1
36 90 см •
соответ-
ствующие валентным симметричным колебаниям связей О-Н.
Количественный анализ
Интегральная интенсивность связи (площадь пика) является количественной характеристикой, которая рассчитывается из спектра и отражает изменения, возникающие в структуре пленки.
Разработаны методика и универсальная программа расчета концентрациикомпонентов в образцах, исследуемых методом ИК Фурье-спектроскопии. Методика заключается в следующем:
4350 3970 3590 3210 2830 2450 2070 1690 1310 930 Волновое число, см1
Рисунок 1 - Спектрограммы пленок на основе
SiO2-SnO2 при различных температурах отжига
1. осуществляется загрузка ИК - спектра в формате *.dat в программном обеспечении MathCad;
2. выбирается анализируемый диапазон волновых чисел, в которых лежит исследуемый пик поглощения и устанавливаются исходные данные;
3. рассчитывается концентрация химических связей. Определяются индексы массива, соответствующие заданным волновым числам;
4. составляется матрица, с соответствующими заданными волновым числами;
5. осуществляется перерасчет коэффициента пропускания в коэффициент поглощения [2];
6. определяется интегральная интенсивность полосы;
7. производится выравнивание по базовой линии, разложение сложных пиков на составляющие, расчет и суммирование интегральной интенсивности для каждого типа связи;
8. рассчитывается приведенная масса двухатомной системы;
9. Определяется параметр, по которому можно сравнивать и характеризовать связи молекул между собой. Это - концентрация связей С (плотность колеблющихся осцилляторов), которые можно рассчитать по формуле (1)
-2 4~е->
Г 27 • g
С =--•Во •-
• м
2
к • е
(В + 2)
•S ,
(1)
где е- заряд электрона; е - диэлектрическая проницаемость пленки на частоте минимума пропускания; с - скорость света в вакууме; ц - приведенная масса связи; 5- интегральная интенсивность полосы (площадь пика под кривой).
В таблице приведены результаты расчетов концентрации О-Н в зависимости от температуры отжига.
Таблица
Данные расчетов концентрации О-Н в зависимости от температуры отжига
Концентрация, С- 10 20, см-3 Температура отжига, °С
6,3 100
5,5 200
4,9 300
3,3 400
3,2 500
2,9 600
• - эксперимент; — - расчет по уравнению (2) Рисунок 2 - Зависимость концентрации связи от температуры отжига
На основе статистической
экспериментальных данных найдено связывающее концентрацию связей и отжига образцов:
обработки уравнение, температуру
С = А ■ е~аТ + В
Рассчитанные и экспериментальные значения концентрации связи в зависимости от температуры отжига приведены на рис. 2.
Из рисунка 2 видно, что наблюдается хорошая корреляция между экспериментальными и рассчитанными значениями, что указывает на правомерность разработанной методики определения концентрации связи.
Заключение
Разработана методика с использованием ИК-Фурье спектрометра, позволяющая определить концентрацию связей между атомами в исследуемом материале. Установлена корреляция между концентрацией связей О-Н в пленках от температуры отжига. Показано, что с увеличением температуры отжига уменьшается концентрация связей О-Н. Полученные экспериментальные данные и разработанные методики могут быть использованы для разработки приборов наноэлектроники нового поколения, включая газовые сенсоры [8-9] и датчики вакуума [10,11].
Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания №2014/151 (код проекта 117).
ЛИТЕРАТУРА
1. Грачева И.Е., Максимов А.И., Мошников В.А. Анализ особенностей строения фрактальных наноком-позитов на основе диоксида олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазового анализа Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. - № 10. - С.
16-23.
2. Ковтонюк Н.Ф. Измерение параметров полупроводниковых материалов / Н.Ф. Ковтонюк, Ю.А. Концевой. - М.: Металлургия, 1970. - 432 с.
3. Averin I.A., Karmanov A.A., Igoshina S.E., Moshnikov V.A., Pronin I.A., Terukov E.I., Sigaev A.P. Correlations in Infrared spectra of nanostructures based on mixed oxides / Physics of the Solid State, 2015. - Vol. 57. - No. 12. - P. 2373-2381.
4. Averin I.A., Igoshina S.E.r MoshnikovV.A., Karmanov A.A., Pronin I.A., Terukov E.I. Sensitive elements of vacuum sensors based on porous nanostructured SiO2-SnO2 sol-gel films /Technical Physics, 2015. - Vol. 60. - No. 6. - P. 928-932.
5. Пронин И.А., Аверин И.А., Димитров Д.Ц., Карманов А.А. Особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов состава SiO2-MexOy, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника. 2014. - № 8. - С. 37.
6. Аверин И.А., Карманов А.А., Пронин И.А., Печерская Р.М. Использование ИК-спектроскопии для анализа тонких стекловидных пленок, полученных золь-гель методом // В сборнике: Университетское образование Сборник статей XV Международной научно- методической конференции, посвященной 50-летию полета первого космонавта Ю.А. Гагарина. Под редакцией: В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. 2011. -С. 227-228.
7. Аверин И.А., Сигаев А.П., Пронин И.А., Кудашов А.А., Игошина С.Е., Карманов А.А. Исследование качественного состава наноструктур на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 и его зависимость от температуры отжига // В сборнике: Университетское образование XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова, под редакцией А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. 2014. - С. 521-523.
8. Бестаев М.В., Димитров Д.Ц., Ильин А.Ю., Мошников В.А., Трэгер Ф., Штиц Ф. Исследование структуры поверхности слоев диоксида олова для газовых сенсоров атомно-силовой микроскопией // Физика и техника полупроводников. 1998. - Т. 32. - № 6. - С. 654-657.
9. Averin I.A.f Pronin I.A.f DimitrovD.TzKrasteva L.K., Papazova K.I., Chanachev A.S., Boji-nova A.S., Georgieva A.Ts., Yakushova N.D., Moshnikov V.A. Theoretical and experimental investigations of ethanol vapour sensitive properties of junctions composed from produced by sol-gel technology pure and Fe modified nanostructured ZnO thin films / Sensors and Actuators A: Physical. 2014. - № A 206.- P. 88-96.
10. Артемов И.И. Эксплуатационные материалы. Учебник для студентов вузов. Пенза, Изд.ПГУ. -2006.
11. Аверин И.А., Игошина С.Е., Пронин И.А., Мошников В.А., Карманов А.А. Вакуумные датчики с наноструктурой на основе SiO2-SnO2 и SiO2-SnO2-In2O3/ Датчики и системы, 2015. - № 6 (193). - С. 2027.
УДК 621.371
Китаев В.Н., Дремков М.А, , Уралев А.А.
ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск, Россия
ОПТИМИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРИЕМА ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ
В автономных технических объектах, сбрасываемых в водную среду с большой скоростью приводнения, для обеспечения работы различных систем объекта применяются пороговые гидростатические датчики давления. Указанные датчики, фактически предназначенные для отслеживания глубины погружения технического объекта, могут преждевременно сработать - переключить контакты при гидростатическом ударе в системе приема давления в момент начала погружения в водную среду и тем самым вызвать сбои и отказы в работе систем технического объекта.
Для исключения возможных сбоев систем от гидростатического удара в момент приводнения технического объекта достаточно исключить поступление воды в систему приема гидростатического давления в это время.
В момент приводнения, а также последующее небольшое время, из-за смены окружающей среды с воздушной на более плотную водную, значительно уменьшается скорость технического объекта. То есть в это время технический объект движется со значительным отрицательным ускорением, которое возможно использовать для закрытия канала приема
