CC BY
14References
1. Zagorulko, Yu.A. Approach to the development of the Russian-English thesaurus on computer linguistics // Proceedings of the XIII All-Russian Scientific Conference RCDL'2011 "Electronic libraries: promising methods and technologies, electronic collections."
2. Seitmuratov A.Zh., Bakulova G.N., Makhantaeva G.B. Development of electronic graphs in the territory of "Language environment" //IS-TC «Actual issues of training of scientific and pedagogical potential in the conditions of postgraduate educationKazakh National Pedagogical University named after Abai, Almaty. 28.11.2012 198-2026. УДК 378. ББК 7458 Ж 68
3. Seitmuratov A.Zh., Zhalzhanova D.S. Improving thesaurus technology in education // XII
MNP Internet Conference "Trends and Prospects for the Development of Science and Education in Globalization" (March 30-31, 2016 Peryaslav-Khmelnitsky. Ukraine) Issue 12
4. A.Zh. Seitmuratov Construction of integrated shells of hierarchical structural data in the use of informatization training // Proceedings of the Republican scientific-practical conference "Innovative-integra-tive paradigms in education: experience and prospects", November 11, Kyzylorda, 2016.
5. Zagorulko, Yu.A., Borovikova O.I., Ko-nonenko I.S., E.G. Sokolova E.G. // Voronezh: Publishing and Printing Center of Voronezh State University, 2011. -Page.27-34
6. https://kartaslov.ru
7. https://didacts.ru/termin/tezaurus.html
8. https://kotlinlang.ru
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТИ, ФОРМУ И РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ ПРИ СИНТЕЗЕ МИКРО/НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТОНКИХ
ПЛЕНОК SmзFe5Ol2
Цидаева Н.И.
Научный центр «Магнитные наноструктуры» ФГБОУ ВО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), РСО-Алания, г. Владикавказ
Директор научного центра. к.ф-м.н. профессор.
Накусов А. Т.
Научный центр «Магнитные наноструктуры» ФГБОУ ВО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Старший научный сотрудник. к.х.н.
Хайманов С.А.
Научный центр «Магнитные наноструктуры» ФГБОУ ВО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Младший научный сотрудник Цидаев Б.С.
ФГБОУ ВО Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело». к.т.н. Доцент.
INFLUENCE OF EXTERNAL FACTORS ON THE SURFACE STRUCTURE, SHAPE AND SIZE OF PARTICLES IN THE SYNTHESIS OF MICRO / NANOSTRUCTURED Sm3Fe5On THIN FILMS
Tsidaeva N.
Scientific center "Magnetic nanostructures" North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State
Technological University), RSO-Alania, Vladikavkaz Director of the scientific center. PhD. Professor.
Nakusov A.
Scientific center "Magnetic nanostructures" North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State
Technological University) Senior researcher. PhD Khaimanov S.
Scientific center "Magnetic nanostructures" North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State
Technological University) Junior researcher. Tsidaev B.
North Caucasus Mining and Metallurgical Institute (State Technological University) Head of the Department «Oil and gas business» PhD. Associate professor
Аннотация
Работа посвящена синтезу и изучению редкоземельных ферритов- гранатов Sm3Fe5Oi2 в тонкопленочной форме. Исходя из состава, формы и размера частиц установлено, что наиболее оптимальным осадите-лем при синтезе пленок Sm3Fe5O12 является водный раствор. Показано что механическая и температурная обработка меняет как форму, так и размеры частиц в сторону уменьшения. Разработан способ синтеза тонких пленок редкоземельных ферритов-гранатов Sm3Fe5O12 с микро/наноразмерными частицами. Установлены закономерности изменения структуры исследуемых материалов при воздействии внешних факторов, таких как механическая и температурная обработка.
Abstract
The work is devoted to the synthesis and study of rare - earth ferrite garnet Sm3Fe5O12 in thin-film form. Based on the composition, shape and size of the particles, it was found that the most optimal precipitator for the synthesis of Sm3Fe5O12 films is an aqueous solution. It is shown that mechanical and temperature treatment changes both the shape and the size of the particles in the direction of reduction. A method for the synthesis of thin films of rare-earth ferrite-garnet Sm3Fe5O12 with micro/nanoscale particles has been developed. The regularities of changes in the structure of the studied materials under the influence of external factors, such as mechanical and temperature treatment, are established.
Ключевые слова. Редкоземельные ферриты-гранаты, рентгенофазовый анализ, тонкие микро/нано-структурированные пленки, атомно-силовая микроскопия, топология поверхности.
Keywords: Rare earth ferrites-garnets, x-ray phase analysis, thin micro / nanostructured films, atomic force microscopy, surface topology.
Введение.
Ферриты-гранаты в виде тонких нанострукту-рированных пленок привлекают все большее внимание в связи с расширением областей применения данных материалов. Повышенный интерес к таким материалам вызван их уникальными магнитными, оптическими, сенсорными и каталитическими свойствами [1 - 5]. Возможность управления перемещением с помощью внешнего постоянного магнитного поля является одним из достоинств нано-частиц ферритов-гранатов. Вышеуказанные свойства позволили разработать уникальные материалы на основе Sm3Fe5Ol2, которые нашли применение в медицине и биохимии.
Использование механической и температурной обработки после синтеза приводит к появлению у материалов на основе редкоземельных ферритов - гранатов качественно новых свойств.
Наибольших успехов в области исследования свойств и параметров редкоземельных ферритов-гранатов добились китайские, испанские, индийские и иранские ученые, использующие современное оборудование и передовые методики физико-химического анализа [6 - 10].
Тем не менее, в вышеуказанных работах существует ряд недостатков, в частности, использование образцов, полученных дорогостоящими методами, синтез материалов с низкими магнитными и адсорбционными свойствами, а также синтез объемных материалов (монокристаллы, порошки, пленки толщиной более 100 мкм) [10 - 12].
Основной целью данной работы является определение закономерностей в ряду «способ синтеза -состав - структура - свойства» на примере микро/наноструктурированных пленок Sm3Fe5O12, стадии формирования которых являются важными этапами в изготовлении функциональных материалов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
- отработка возможности использования представленной методики синтеза для формирования тонких пленок Sm3Fe5O12;
- определение возможности использования подложек Al2Oз для роста пленок SmзFe5Ol2;
- определение соответствия химического состава полученных пленок и подложечного материала составу эталонных образцов.
- определение химического состава и степени структурного совершенства сформированных пленок методами рентгенофазового анализа и атомно-силовой микроскопии;
- исследование влияния внешних факторов и параметров синтеза на рост пленок и их структурные свойства.
Метод синтеза.
В целом, метод синтеза исследуемых в данной работе образцов можно отнести к категории методов гидрохимического осаждения водных растворов на поверхность подложки. Оценивая преимущества этого метода по сравнению с другими, можно выделить его высокую производительность, простоту технологических процессов и экономичность.
Формирование пленок осуществлялось в два этапа:
1. Синтез гидротермальным методом порошков SmзFe5Ol2. Данный метод достаточно подробно описан в работах авторов [13 -15]
2. Формирование тонких пленок проводилось методом гидрохимического осаждения водных растворов. Т.е. синтез образцов осуществлялся путем нанесения водных растворов SmзFe5Ol2 + H2O на поверхность подложки на основе Al2O3. Для улучшения адгезии пленки и подложечного материала, а также удаления остаточных продуктов реакции, находившихся в растворе, образцы подвергались температурной обработке при Т = 80 °С и временем выдержки ^ = 1 час при давлении Р = 0,07 мРа.
Химические реакции, протекающие в ходе синтеза, подробно описаны в работе [16].
Схематическое изображение этапов синтеза исследуемых образцов представлено на рисунке 1.
Этапы синтеза порошков
SmjFesOn
ту
Смешивание азотнокислых солей нитратов Sm(N03>3 ■ 6Н2О и Fe(NC>3)3 ■ 9ШО
Ж
Размешивание при помощи магнитной
мешалки полученного раствора. Добавление в раствор щелочи NaOH.
Температурная обработка раствора
12 часов (150 - 240 °С)
<>
Промывка раствора деионизированной водой рН = 7
Центрифугирование раствора
тг
Просушка порошка 10 часов Т = 80 ° С
О
Этапы Формирования пленок SmsFesOn на АЬОз
ЗЕ
Нанесение водных растворов Sm3Fe50i2 + H30 на поверхность подложки AI2O3
Ж
Температурная обработка T=S0°C\ t» =1 час. Р = 0,07 МРа
Рис.1. Схематическое изображение этапов синтеза тонких микро/наноструктурированных пленок
SmsFe5On.
Результаты и их обсуждение.
Методы исследования полученных образцов можно разделить на две группы:
1. Физико - химические методы (рентгенофа-зовый анализ)
2. Электроно - микроскопические методы (атомно-силовая микроскопия)
Рентгенофазовый анализ.
Химический состав синтезированных пленок исследовался методом рентгенофазового анализа при помощи дифрактометра фирмы Bruker D8 Advance. Эксперимент проводился с помощью верти-
кального гониометра на медном излучении с длиной волны CuKa = 1, 54 А, в интервале углов 9/29 = 10 o - 90o.
Идентификация фаз и кристаллической структуры осуществлялась по соотношению интенсивно-стей и углов характеристических пиков этих фаз на дифрактограммах. Для сравнения и подтверждения полученных результатов использовались базы данных рентгеновских дифрактограмм, находящихся в открытом доступе (Match 2 и DASH 3.3.6).
Результаты исследования РФА пленок на основе Sm3Fe5O12 и подложки AbO3 представлены на рисунке 2.
Рис.2. Дифрактограммы пленки Sm3Fe5Ol2 и подложечного материала AI2O3.
На основании полученных результатов можно сказать следующее:
• на дифрактограммах пленок и подложки наблюдаются пики, соответствующие орторомби-ческой структуре феррита - граната самария и гексагональной структуре оксида алюминия;
• пиков, соответствующих отдельным элементам Sm, Fe, Al и О2, на дифрактограммах не наблюдается, т.е. происходит образование только пленки Sm3Fe5Oi2, сформированной на подложке Al2O3.
Атомно-силовая микроскопия.
Изучение структурных особенностей пленок проводилось на зондовой нанолаборатории NTEGRA Spectra фирмы NT - MDT. АСМ- исследования проводились с использованием кантиливеров VIT_P с кремниевой иглой, имеющей радиус закругления 10 нм. Фильтрация, сглаживание, а также статистический анализ полученных АСМ-изображений, осуществлялись при помощи программного обеспечения Nova.
Для исследования пленок на основе Sm3Fe5O12 образцы предварительно необходимо было сформировать на подложке, выбор подложечного материала, как отмечалось ранее, является существенным фактом при формировании тонкопленочной структуры, поскольку топология пленки дублирует топологию поверхности подложечного материала и при слишком высоких поверхностных нерегуляр-ностях (большие и резкие перепады высот) происходит выбивание из рабочего режима кантилевера, что не позволяет провести качественый эксперимент.
Структура подложечного материала на основе Al2O3 достаточно подробно изучалась нами ранее, результаты исследования представлены в работе [16 - 19]. Здесь только отметим то, что при сканировании на максимально возможном участке 100 х
100 мкм, среднем 20 х 20 мкм и близком к минимальному участку 5 х 5 мкм поверхность состоит из зерен размерами 50 - 600 нм с перепадами высот 800 нм. Поверхностные нерегулярности А1^3 достаточно высоки, добиться относительно невысокого перепада высот позволила предварительная обработка поверхности подложки (шлифование). Полученные параметры подложки в целом являлись удовлетворительными для их дальнейшего использования в ходе данной экспериментальной работы.
Результаты исследования изменения структурных особенностей поверхности микро/наноразмер-ных пленок под действием механической и температурной обработки представлены на рисунках 3 и 4. Визуализация мелких деталей поверхностных слоев пленок позволяет отметить следующие закономерности:
- изначально до механической обработки первичные частицы, из которых формируется пленка, выглядят как агломераты в виде додекаэдров с размерами в горизонтальном направлении, варьирующимся в пределах от 1 до 2 мкм, и перепадом высот 1 мкм (рис.З.а.). В дальнейшем за счет механического воздействия сформированные агломераты распадаются на частицы, вытянутые в одном направлении с размерами от 200 до 600 нм, и перепадом высот 600 нм (рис.З.б). По всей площади сканируемой поверхности наблюдается идентичная картина;
- исходя из результатов температурной обработки, которая проводилась при Т = 80°С и 200°С, можно отметить закономерность уменьшения размеров первичных частиц с увеличением температуры приблизительно от 100 - 300 нм до 50 - 200 нм.
Рис. 3. Квазитрехмерное изображение топологии поверхности участков 10 х 10 мкм пленки SmFe¡0l2, сформированной на подложке Л1203, до (а) и после (б) механической обработки.
а) Ь)
Рис. 4. Квазитрехмерное изображение топологии поверхности участков 10 х 10 мкм пленки Sm3Fe¡0l2, сформированной на подложке Л1203, при температурной обработке при 80о С (а) и 240о С (б).
Выводы.
• метод атомно - силовой микроскопии впервые применен для описания основных понятий и представлений о структуре и функциональных свойствах микро/наноструктурированных пленок SmsFesOu и характеристики используемого подложечного материала AI2O3;
• химический состав синтезированных образцов подтверждается данными, полученными методом РФА, на всех представленных дифрактограммах наблюдаются орторомбическая структура феррита - граната самария и гексагональная структура оксида алюминия;
• методом атомно-силовой микроскопии впервые исследовано влияние механической и температурной обработки на структуру поверхности, формы и размеры частиц синтезируемой пленки Sm3Fe5Oi2;
• пористая мелкокристаллическая неориентированная структура образцов с размерами составляющих частиц от 60 до 2000 нм в совокупности с магнитными свойствами материала может быть использована при производстве активных элементов фильтров для очистки сточных вод.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Государственного фонда естественных наук Китая в рамках научного проекта № 20-52-53038.
Список литературы
1. Tsidaeva N.I., Iskhakov R.S., Moroz Zh.M. Magneto-optical investigation of Co/Pd multilayers // Journal of the Magnetics Society of Japan. 1997. Т. 21. № S2. С. 181-184.
2. Ганьшина Е.А., Богородицкий А.А., Кума-ритова Р.Ю., Бибикова В.В.,Смирницкая Г.В., Ци-даева Н.И. Магнитооптические свойства многослойных пленок Fe/Pd //Физика твердого тела. 2001. Т. 43. № 6. С. 1061-1066.
3. Tsidaeva N. I., Abaeva V. V., Enaldieva E. V. et al. Specific features of Tb 3+ magnetooptics in terbium gallium garnets (Tb3Fe5O12 and Tb3Ga5O21). IEEE Transactions on magnetics. 2014. Vol. 50. Issue 1. Part. 1. P. 123 - 129.
4. Tsidaeva N. I., Abaeva V. V., Enaldieva E. V., et al. Features of optical anisotropy of europium and terbium iron garnets. Optical Materials. 2013. VOL. 35. № 10. P. 1783-1786.
5. Pashkov A.D., Хубаев А. К., Tsidaeva N.I., Abaeva V.V., Turiev A.M., Enaldieva E.V., Butkhuzi T.G., Khaimanov S.A., Ramonova A.G. Specific futures of optical anisotropy in terbium iron and terbium gallium garnets // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-2. С. 116-118.
6. Adam J. D., Davis L. E., Dionne G. F., Schloe-mann., Stitzer. Ferrite devices and materials. IEEE Trans. Microwav. Theory and Techniques. Vol. 50. Issue 3, 2002. P. 721 - 737.
7. Wu X., Ding Z., Wang W., Song N., Khaimanov S.A., Tsidaeva N.I., Effect of polyacrylic acid addition on structure, magnetic and adsorption properties of manganese ferrite nanoparticles. Powder Techology. 2016. Vol. 295. P. 59 - 68.
8. M. Niyaifar, H. Mohammadpour, and N. Kha-lafi, "Effects of structural distortion on magnetic properties of CexY3-x Fe5O12," J. Alloys Compound, vol. 688, pp. 357-362, Dec. 2016.
9. Ozgur U., Alivov Y., Morkog H. Microwave ferrites, part 1: fundamental properties. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2009, Vol. 20, Issue 9, P. 789-834.
10. Wu X., Wang W., Song N., Khaimanov S. A., Yang X., Tsidaeva N. I. From nanosphere to nanorod: tuning morphology, structure and performance of cobalt ferrites via Pr3+ doping. Chemical Engineering Journal. 2016. Vol. 306. P. 382-392.
11. Tsidaeva N., Abaeva V., Enaldieva E., Ramonova A., Butkhuzi T., Magkoev T., Turiev A. Features of optical anisotropy of terbium iron garnet// Key Engineering Materials. 2013. Т. 543. С. 364-367.
12. Khubaev A.K., Pashkov A.D., Tsidaeva N.I., Abaeva V.V., Turiev A.M., Enaldieva E.V., Butkhuzi T.G., Khaimanov S.A., Ramonova A.G. Anisotropy of the linear magnetic birefridence of europium iron garnet // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-2. С. 131-132.
13. Huang S., Shi L.R., Sun H.G., Li C.L., Chen L., Yuan S.L. High temperature dielectric response in Sm3Fe5O12 ceramics// Journal of Alloys and Compounds. 2016 Vol. 674. P. 341 - 346.
14. Цидаева Н.И., Накусов А.Т., Хайманов С.А., Хубаев А.К., Силаев И.В. Исследование влияния температуры проведения гидротермального синтеза на свойства микро/наноструктурирован-ных порошков феррита-граната самария//Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Физико-математические науки. 2019. № 4 (52). С. 105-116.
15. Wei Shen, Biying Ren, Wei Wang, and J. Ping Liu. Formation of Samarium Ferrites With Controllable Morphology by Changing the Addition of KOH// IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 2019. С. 1-5.
16. Цидаева Н.И., Накусов А.Т., Хайманов С.А., Хубаев А.К., Кубалова Л.М., Wang W. Микроструктура и элементный состав наноразмерных порошков и пленок редкоземельных ферритов-гранатов на основе SmзFe5Ol2//Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 2. С. 289-297.
17. Тихонов П.А., Накусов А.Т., Дроздова И.А., Калинина М.В., Доманский А.И. Исследование сенсорных свойств высокодисперсных поликристаллических пленок на основе оксидов кобальта, никеля и празеодима // Физика и химия стекла. 2005. Т. 31. № 5. С. 962-974.
18. Tikhonov P.A., Nakusov A.T., Bykov V.N., Plamadyala N.V., Rodionov V.S. Electric conduction of thin oxide films of CoOx and NiOx// Огнеупоры и техническая керамика. 2005. № 11. С. 25-30.
19. Tikhonov P.A., Nakusov A.T., Drozdova I.A. Thin films of cadmium and dysprosium oxides as gassensitive elements of sensors // Glass Physics and Chemistry. 2004. Т. 30. № 1. С. 101-106.
FORMATION OF VORTEX PLASMOIDS USING A PULSED ELECTROTHERMAL
ACCELERATOR
Fedun V.
Associate Professor of the Department of Physics Pryazovsky State Technical University, Mariupol, Ukraine
Abstract
This paper presents the results of the formation of vortex long-lived plasma formations (LLPF) using a plasma gun - an ablation pulsed plasma accelerator. Discharge duration ~ 0.6 ms. LLPF evolution was recorded using a high-speed camera. The vortex lifetime reached 30 ms. The conditions for the formation of an LLPF have been determined. It has been found that an increase in the discharge power reduces the stability of vortices and leads to a decrease in the life of plasma formations.
Keywords: long-lived plasma formations, plasma gun, vortex, discharge, capacitive energy storage.
Introduction. The obtaining of long-lived plasma formations (LLPF), both in a free atmosphere [1,2] and in laboratories [3,4], is of great scientific and applied interest. LLPF researches are relevant in terms of studying the fundamental properties of plasma, determining the mechanisms of various structures in plasma, energy transport in plasma, as well as elucidating the nature of ball lightning, which currently has no generally accepted explanation.
Previous data. LLPs were obtained in the laboratory conditions using: current pulse over the surface of an aqueous electrolyte [5,6], pulsed plasma jets in the atmosphere [7,8], microwave fields [9,10], an electric discharge in flammable hydrocarbon gas [11,12], electrical explosion of conductors [13], lightning strike into the ground [14], etc.
Toroidal vortices are a configuration that provides stability for a low-temperature plasma at atmospheric pressure [15,16]. Toroidal plasmoids have a number of specific properties. In particular, this is a relatively long lifetime and a high degree of isolation from the environment, which allows maintaining the high adiaba-ticity of the toroidal plasma formation after the termination of the supply of electrical energy.
The mechanism for the formation of high-temperature (plasma) vortices and low-temperature vortex rings produced by ejecting pulsed subsonic plasma/gas jets into air was investigated experimentally. A toroidal vortex forms due to the interaction between a pulsed jet
with the flow induced by this jet in the ambient medium [].
The aim of the study. This article presents the results of the formation of vortex plasmoids using a plasma gun - an ablative pulsed plasma accelerator, in which the plasma is formed as a result of the evaporation of an insulator surrounding the discharge gap. Plasma parameters can be varied over a fairly wide range by varying the voltage of the power source and the pulse duration [17], which makes it possible to form plasma jets in high-pressure media.
Materials and methods. Laboratory studies of LLPF generation were carried out on an experimental installation, which consisted of plasma gun (PG), a capacitive energy storage, a storage power source, a discharge initiation block, a contactless switch - magnetic key, voltage and current measuring instruments in an electrical circuit (voltage divider and Rogowski coil), high speed camera (Nikon 1s1).
The schematic diagram of the installation is shown in Fig. 1a. The power supply for the plasma gun PG was provided by a capacitive energy storage Сн with a capacity of 1500 ^F, which was pre-charged to U0 <5 kV. The discharge was initiated by a high voltage pulse (~50 kV) of microsecond duration, which was applied to the PG electrodes. This pulse was formed by the secondary winding L2 of the pulse transformer PT after the controlled spark gap P was triggered (discharge of the capacitance Cb through the primary winding L1). A short circuit of the high-voltage pulse to the capacitance Сн was prevented by using the magnetic key MK. To prevent the discharge of the capacitor bank Сн through the L2 winding a decoupling capacitor Сp is used in the circuit.
