Электронная, атомная структуры и адсорбционные свойства медьсодержащих нанокомпозитов и одностенных углеродных нанотрубок

• Автор: Шматко, Валентина Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 126 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

1 Методы иследования атомной и электронной структур наноматериалов

1.1 Экспериментальные рентгеноспектральные методы

1.1.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

1.1.2 Рентгеновская спектроскопия поглощения в ближней области

1.1.3 Экспериментальная станция MUSTANG Российско-германского канала синхротронного центра BESSYII

1.2 Теоретические методы исследования структуры материалов

1.2.1 Программный комплекс FEFF

1.2.2 Программный комплекс FDMNES

1.2.3 Программный код ADF

2 Морфология поверхности, структура, состав и свойства медьсодержащих
нанокомпозитных материалов SiC>2CuOx
2.1 Нанокомпозитные материалы на основе оксидов: структура, свойства
2.2 Медьсодержащие композитные наноматериалы SiO 2CuO х
2.3 Порошковые нанокомпозитные материалы Si02CuOx
2.4 Тонкопленочные нанокомпозитные материалы Si02CuOx
3 Локальная атомная и электронная структура чистых и функционализированных ОУНТ
3.1 Углеродные нанотрубки структура и электронные свойства
3.2 Синтез чистых и функционализированных ОУНТ
3.3 Особенности формирования спектров рентгеновского поглощения за К-
краем углерода
3.4 Теоретический анализ экспериментальных спектров чистых ОУНТ
3.5 Атомная и электронная структуры фторированных ОУНТ
3.6 Атомная и электронная структуры гидрированных ОУНТ
Заключение
Основные результаты и выводы
Список цитированной литературы
Список основных публикаций автора

Введение
Одним из приоритетных направлений развития науки является создание и исследование функциональных наноматериалов с заданными свойствами, что подтверждается непрерывно растущим числом публикаций в этой области. С точки зрения фундаментальной науки большой интерес представляют определение электронной и атомной структуры наноматериалов и выявление закономерностей взаимосвязи структурных характеристик материалов и их физико-химических свойств. С другой стороны, необычные свойства наноматериалов делают их привлекательными для прикладного использования: они востребованы в различных областях микроэлектроники, микротехники и наноэлектроники, сенсорике.
Нанокомпозитные материалы состава БЮгСиОх применяются в качестве газочувствительного материала при создании сенсорных устройств. Изучение влияния параметров синтеза на изменение атомной и электронной структуры, морфологии поверхности в комплексе с исследованием газочувствительных характеристик материала, позволяет получить ценную информацию для синтеза материалов с необходимыми свойствами.
Высокая удельная поверхность и чувствительность к сорбированным молекулам газа одностенных углеродных трубок, делает возможным применение одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в качестве активных центров нанокомпозитных матриц газочувствительных материалов. Определение особенностей образования химической связи между молекулами газов и стенкой ОУНТ позволяет определить перспективность их использования в качестве газочуствительных материалов. Изменение локальной атомной и электронной структуры функционализированных фтором и водородом нанотрубок дает информацию о механизмах взаимодействия с газами, обладающими различной реакционной способностью.
Известно, что заселенность и плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми и в валентной зоне определяет физико-химические свойства
материалов, поэтому исследования изменений локальной и электронной структуры сорбирующих материалов при изменении параметров синтеза и сорбции газов являются актуальными. Кроме того, функционализация позволяет изменять свойства УНТ для специальных применений. В частности, фторирование повышает реакционную способность нанотрубок, а гидрирование позволяет изучить способность ОУНТ к хранению и транспортировке водорода. Таким образом, изучение механизмов функционализации позволяет прогнозировать изменение сорбционных свойств.
Достоверность получаемых результатов в большой степени определяется методами исследования, применяемыми для решения поставленных задач. При исследовании материалов, обладающих сорбциоными свойствами к газам, высокую информативность показывают рентгеноспектральные методы с высоким разрешением. В частности, методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS - X-ray Photoelectron Spectroscopy) и рентгеновской спектроскопии поглощения в ближней к краю области (XANES - X-ray Absorption Near Edge Structure) с применением источников синхротронного излучения позволяют получить информацию об особенностях локальной атомной и электронной структуры с высокой точностью. Для более полной картины необходимо проведение комплементарных экспериментальных и теоретических исследований.
Таким образом, тема диссертации, посвященной выявлению взаимосвязей атомной, электронной структуры и адсорбционных свойств наноматериалов с использованием рентгеноспектральных методов на основе синхротронного излучения и методов квантово-химического моделирования, является актуальной для физики конденсированного состояния и имеет как фундаментальное, так и прикладное значение.
Объекты исследования:
порошковые и тонкопленочные медьсодержащие композитные наноматериалы SiCbCuOx, полученные при различных параметрах синтеза;

2.3 Порошковые нанокомпозитные материалы БіОгСиО*
Нанокомпозитные газочувствительные материалы на основе оксидов меди могут быть получены по золь-гель технологии в виде наноразмерных порошков и в виде пленок. Целью изготовления порошков является увеличение площади удельной поверхности с целью повышения адсорбционной активности материала. При исследовании нанокомпозитных материалов в виде порошков, полученных в результате синтеза при различных условиях, представляется интересным соотношение фаз оксидов меди, информацию о которых можно извлечь из анализа спектров XANES.
Экспериментальные спектры рентгеновского поглощения за Г2,з меди в нанокомпозитных материалах Si02CuOx, полученные нами на Российско-Германском канале синхротронного излучения (RGBL) электронного накопителя Бэсси II, Берлин (рис. 2.2) [А6]. Рентгеновские спектры за Z2>3 -краем Си были получены методом регистрации полного электронного выхода внешнего рентгеновского фотоэффекта, в режиме измерения тока утечки с образца при варьировании энергии падающих на него фотонов [38-39]. Спектр квантового выхода электронов совпадает со спектром XANES и воспроизводит распределение плотности свободных электронных состояний с точностью до квадрата матричного элемента вероятности перехода. Спектры рентгеновского поглощения за Г2 3-краями чувствительны к изменению оксидного состояния исследуемых элементов, что выражается в изменении формы спектров и энергетического положения резонансных Гз и Г2 пиков спектра.
Исследование фазового состава порошковых образцов проводилось посредством сопоставления экспериментальных спектров нанокомпозитных материалов со спектрами реперных образцов. В качестве реперных соединений выбраны металлическая медь и оксиды меди СиО, Си20.
Полученные экспериментальные спектры поглощения за L краями меди для Si02CuOx характеризуются наличием двух ярких структур. Разделение линии обуславливается спин-орбитальным расщеплением остовного Си 2р состояния на 2рш и 2ра- С учетом характера начального состояния и дипольных правил отбора