Импеданс нанопористых оксидов алюминия и титана с адсорбированной водой вблизи фазового перехода вода - лед

• Автор: Королев, Федор Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

§1.1. Механизмы протонной проводимости в воде

§ 1.2. Адсорбция воды на поверхности оксидов металлов

§1.3. Получение и структура пористого оксида алюминия

§ 1.4. Получение и структура пористого диоксида титана

§ 1.5. Влияние адсорбции воды на электрофизические свойства пористых

материалов

§ 1.6. Плавление и кристаллизация низкоразмерных фрагментов воды

§ 1.7. Теоретические основы метода импедансной спектроскопии

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ

ДАННЫХ
§2.1. Получение экспериментальных образцов пористого оксида алюминия и
их параметры
§ 2.2. Получение экспериментальных образцов пористого диоксида титана и
их параметры
§ 2.3. Адсорбционно-вакуумная система
§ 2.4. Измерение импеданса структур
§ 2.5. Определение численных значений параметров эквивалентных схем
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ
§3.1. Влияние напуска паров воды на импедансные характеристики
экспериментальных систем
§ 3.2. Построение эквивалентных электрических схем структур
рог-А12Оз-Н20 и рог-ТЮг-НгО

§3.3. Особенности электропереноса в системе рог-А12Оз-Н20 вблизи
фазового перехода вода — лед
§ 3.4. Особенности электропереноса в системе рог-ТЮ2-Н20 вблизи фазового
перехода вода - лед
§ 3.5. Модель для описания изменения электрофизических свойств пористых структур с адсорбированной водой в области температур вблизи фазового перехода вода - лед
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность проблемы
Вода в ограниченных пространственных областях привлекает в последние годы все возрастающее внимание исследователей. Во многих практически важных ситуациях вода оказывается заключенной в малые объемы, например, в пористых материалах, в биологических объектах (в клетках, макромолекулах), мембранах топливных элементов. Установлено, что структура и динамика воды в ограниченном пространстве претерпевают существенные изменения по- сравнению с «объемной» водой [1,2], что-проявляется, в частности, в' процессах электрического транспорта [3]. Системы» с протонным транспортом привлекают внимание из-за аномально» высокой подвижности протонов, сопоставимой с подвижностью электронов в твердых телах. Это позволяет, легко выявлять протонную проводимость низкоразмерных фрагментов воды на фоне электронной проводимости твердотельной матрицы, особенное пористых оксидных полупроводниках с низкой электронной подвижностью. Причиной высокой подвижности протонов в воде является то, что для передачи протона от одной молекулы воды к другой в «объемной» воде энергия активации не требуется. Небольшая энергия затрачивается лишь на обрыв водородных связей во второй гидратной оболочке комплекса Н30+ [4].
Адсорбция воды вызывает существенные изменения электрофизических свойств пористых матриц. Так, при изменении относительной влажности от 10 до 100% сопротивление пористых слоев оксидов алюминия (рог-АЬОз) и титана (рог-ТЮ2) уменьшается на 2 - 3 порядка [5,6], за счет роста ионной проводимости, а емкость увеличивается' благодаря высокому значению диэлектрической проницаемости воды. Этот факт позволяет применять данные материалы в качестве базовых для создания высокочувствительных сенсоров влажности. • Имеются и другие перспективы практического использования устройств, включающих в качестве активных элементов

эквивалентная схема исследуемых объектов (т.е. схематическое представление объекта в виде комбинации элементов электрических цепей), как правило, неизвестна и, по сути, образец с примыкающими электродами представляет собой электрический «черный ящик». Поэтому обычно на первом этапе обработки данных по импедансу исследуемой структуры строится эквивалентная электрическая схема, наиболее точно описывающая поведение системы на различных частотах. На втором этапе отдельные элементы эквивалентной схемы связываются с физико-химическими процессами, происходящими в исследуемых объектах.
Рассмотрим примеры импеданса простейших электрических цепей.
При последовательном соединении резистора и конденсатора (рис. 1.24(а)) импеданс цепочки определяется выражением:
Z = Z'+iZ" Z'=R, Z”= —. (1.14)
со С
В случае параллельного соединения. R и С (рис. 1.24(6)) определяется адмиттанс цепи,- величина обратная импедансу: :
Y; = Z~l =Y'+iY"; Y'=R- Y"=co,C. (1.15)
(а) R С IV (б)
II И
1 1

' Рис; 1.24. Последовательная (а) и параллельная'(б) R-C цепочки.
Поскольку, эквивалентные схемы экспериментальных образцов часто содержат емкость и редко - индуктивность, импедансные графики для удобства, как правило, строят в плоскости -lmZ, Яе7, а не rriZ, ReZ, чтобы зависимости находились в первом координатном углу. Графическое представление импеданса вышеописанных цепей в комплексной импедансной плоскости, представлено на рис. 1.25. На графике для параллельной цепочки R и С значение Т в точке пересечения