Электрофизические свойства компактированных нано- и микродисперсных углеродных материалов

• Автор: Усков, Артём Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Литературный обзор

1.1 Нанографит

1.1.1 Методы получения нанографита

1.1.2 Строение нанографита

1.1.3 Магнитные свойства нанографита

1.1.4 Особенности электрической проводимости нанографита

1.1.5 Применение нанографита

1.1.6 Методы получения графена

1.1.7 Уравнение Дирака для электронов в графене

1.1.8 Применение графена
1.2 Углеродные нановолокна
1.3 Механизмы электропроводности в неупорядоченных наноструктурах
1.4 Выводы, цели и задачи диссертации
2 Методика эксперимента
2.1 Определение плотности углеродных материалов
2.2 Определение удельной электрической проводимости
2.3 Исследование термоэлектрических свойств
2.4 Погрешности измерения электрической проводимости и термоэдс
2.5 Измерение магнитосопротивления
2.6 Методика определения фрактальной размерности
2.7 Образцы
2.7.1 Получение наночастиц аморфного углерода плазмохимическим разложением метана
2.7.2 Получение нанографита холодным синтезом
2.7.3 Формирование фрактальных структур в
композиции поливиниловый спирт - углеродные нановолокна
2.7.4 Методика приготовления образцов

3 Результаты и их обсуждение
3.1 Плотность углеродных материалов
3.2 Удельная электрическая проводимость исследуемых образцов
3.3 Термоэлектрические свойства исследуемых образцов
3.4 Магнитосопротивление исследуемых образцов
3.5 Анализ результатов
3.5.1 Анализ результатов измерения удельной электрической проводимости
3.5.2 Анализ результатов измерения термоэдс
3.5.3 Анализ результатов исследования магнитосопротивления
3.6 Обсуждение результатов
3.7 Формирование фрактальных структур в композиции поливиниловый спирт - углеродные нановолокна
Основные результаты и выводы
Благодарность
Список литературы
Введение
Актуальность темы исследования
Нанотехнология стала главным и многообещающим направлением, которое определяет научные и практические интересы мирового сообщества. В настоящее время одной из наиболее важных и интересных как в теоретическом, так и практическом плане является область нанотехнологии, связанная с получением и исследованием физических свойств наноразмерных углеродных материалов. Подобный интерес обусловлен большой перспективой их применения в качестве функциональных элементов электронной техники, компонентов при создании композиционных материалов. На современном этапе развития нанотехнологий в основном изучаются нанотрубки, фуллерены, нановолокна, наноалмазы и графены, имеющие размеры менее 5-20 нм. Такие объекты обладают «тонкой» электронной структурой, которую можно изменять, регулируя условия синтеза, применяя различные методы функционализации.
Нанообъекты больших размеров также обладают интересными свойствами. Для них характерно, что значительное число атомов углерода расположено на поверхности и на краях, т.е. имеют свободные связи, что делает их более реакционноспособными, и способствует активной адсорбции и абсорбции газовых молекул (02, N2, СО и т.д.). Свойства таких нанодисперсных углеродных материалов существенно отличаются от свойств замкнутых и закрытых систем, какими являются фуллерены и нанотрубки. Они рассматриваются чаще всего как компоненты различных конструкционных материалов, и в основном исследуются лишь их механические и теплофизические свойства.
Вместе с тем, в связи с расширением области применения конструкционных композиционных материалов к ним предъявляются новые требования по электрофизическим и оптическим свойствам.
В связи с вышесказанным для углеродных материалов с размером частиц 30-100 нм интересным является изучение их электрических и термоэлектрических свойств. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований углеродных наноматериалов, известно немного работ по изучению их свойств.
В предлагаемой работе исследуются структуры, полученные компактированием нано- и микродисперсных углеродных материалов. В этом случае интересной для исследования представляется возможность изменять электрофизические свойства образцов, варьируя размер и меняя структуру углеродных частиц, из которых они созданы.
Тематика данной диссертации соответствует “Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований”, утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 - “Физика конденсированного состояния вещества”).

На пути получения структуры графенов стоят значительные технологические трудности.
Среди наиболее распространенных методов получения графенов следует в первую очередь упомянуть химический подход, включающий в себя окисление графита, его последующую эксфолиацию (отделение слоев друг от друга) и химическое восстановление полученных слоев до графенов с помощью, например, гидразина.
Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под воздействием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита [51]. Возможен химический метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу.
Удалось разработать процедуру выделения графенов с помощью органического растворителя (рис. 1.13).
Рис. 1.13 - Поверхность графеновой пленки [52]
В качестве такого растворителя использовался N - метилпирролидон (НМП), куда вводился порошок мелкодисперсного графита. Наряду с этим, в