Исследование приповерхностного слоя магнитной жидкости вблизи металлического и полупроводникового электродов по оптическим и электрофизическим измерениям

• Автор: Гетманский, Андрей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Ставрополь
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Интерференция света в тонком слое на границе с магнитной дисперсной наносистемой
1.2. Электрические свойства слабопроводящих дисперсных наносистем в
электрическом поле
Выводы и задачи исследования
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Объект исследования
2.2. Экспериментальные установки
2.3. Методика проведения экспериментов
2.4. Анализ ошибок эллипсометрических измерений
2.4. Анализ ошибок электрофизических измерений
ГЛАВА 3. СВОЙСТВА СЛОЯ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ВЛИЗИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО И ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕКТРОДОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ5 ПОЛЕ
3.1. Моделирование систем однородных слоев
3.2. Определение оптических параметров отражающей системы
3.3. Экспериментальное исследование свойств слоя концентрированной МЖ вблизи металлического и полупроводникового электродов в электрическом поле по эллипсометрическим измерениям
3.4. Исследование динамики образования и разрушения приэлектродного слоя МЖ вблизи металлического и полупроводникового электродов в электрическом поле
3.5. Исследование свойств приэлектродного слоя МЖ в электрическом поле по электрофизическим измерениям
ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ПРИЭЛЕКТРОДНОГО СЛОЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
4.1. Роль электрофореза и диффузии в процессе формирования приэлектродного слоя МЖ
4.2. Изменение электрической части свободной энергии ячейки с МЖ при образовании приэлектродного слоя
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Интересной и актуальной проблемой в современной науке является проблема управления интерференцией поляризованных лучей в тонких пленках дисперсных наносистем. Результаты, полученные в данном направлении, могут быть использованы в технике просветляющей оптики, в технике отображения информации разными цветами.
Всвязи с ярко выраженными оптическими эффектами (изменение спектра отраженного света [125], визуализация автоволн [2], которые в отраженном свете ярко окрашены разными цветами) для изучения интерференции в тонких пленках дисперсных наносистем удобным объектом является магнитная жидкость (МЖ). Во внешних электрических полях в МЖ наблюдается увеличение концентрации частиц дисперсной фазы вблизи электродов. Следствием этого является изменение интерференционной картины света, отраженного от границы «прозрачный электрод - приэлектродный слой МЖ». Кроме того, при отражении света от такой границы в электрическом поле наблюдается изменение эллипса поляризации света. Оба эффекта зависят от величины электрического поля, концентрации дисперсной фазы МЖ и др. Поэтому исследования оптических свойств в МЖ напрямую связаны с проблемой интерференции лучей в тонких пленках. С другой стороны, благодаря таким исследованиям возможно уточнение свойств границ раздела между слоями МЖ различной концентрации и электродом, которые на сегодняшний день не до конца исследованы. Слабоизученным остается вопрос о влиянии концентрации дисперсной фазы МЖ в объеме ячейки и рода электрода на величину образующегося приэлектродного слоя при данной напряженности электрического поля в ячейке с МЖ.
Также является известным факт, что свойства вещества в случае тонких пленок отличаются от свойств объема из-за проявления размерных эффектов. Всвязи с этим, научный и практический интерес вызывает исследование

свойств тонких (-0,1 мкм) приэлектродных слоев МЖ в электрическом поле вблизи принципиально различающихся по свойствам электродов - металлического и полупроводникового.
Целью настоящей работы является исследование особенностей образования приэлектродного слоя вблизи металлического (алюминий: Д((/=0,50 -4,591) и полупроводникового (кремний: Л/®=3,86 - 0,021) электродов по оптическим и электрофизическим измерениям.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
- определение закономерностей образования слоя концентрированной МЖ в зависимости от концентрации частиц дисперсной фазы МЖ в объеме ячейки, а также от свойств электрода на основе анализа результатов экспериментального исследования эллипса поляризации света, отраженного от границ «МЖ - оксидная пленка - металл» и «МЖ - полупроводник» в электрическом поле;
- численный расчет отражательных способностей металлического и полупроводникового электродов, на которых образовался слой концентрированной МЖ. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными результатами, полученными ненулевым методом эллипсометрии;
- определение электрофоретического заряда частицы вблизи электрода и в объеме ячейки с МЖ;
- определение удельной проводимости приэлектродного слоя МЖ вбли- 4 зи металлического электрода на основании исследования электрических свойств ячейки с МЖ в электрическом поле;
- моделирование процесса образования приэлектродного слоя концентрированной МЖ.
Научная новизна:
Впервые на основе систематических эллипсометрических измерений и численного моделирования отражающих систем установлено, что изменение эллипса поляризации света при отражении от приэлектродного слоя МЖ в электрическом поле зависит как от оптических свойств электрода, так и кон-
тронный умножитель ФЭУ-27, питаемый с высоковольтного источника ЬН-2500. Сигнал с ФЭУ записывался при помощи платы АЦП ЛА-2М5 на жесткий диск персонального компьютера. Плата осуществляет преобразование входного аналогового сигнала в цифровую форму, который впоследствии обрабатывался ЭВМ.
Рис. 2.2. Схема экспериментальной установки I: 1 — лазер, 2 - поляризатор, 3 - ячейка с МЖ, 4 - поворотный столик, 5 — компенсатор, 6 - анализатор, 7 - ФЭУ, 8 - ЭВМ.
В оптических измерениях использовалась экспериментальная плоскопараллельная ячейка, имеющая геометрические размеры 1,5x0,5><3 см3, а так же два отражающих электрода: металлический и полупроводниковый. Ранее исследовалась интерференция света в однородной пленке концентрированной МЖ, которая расположена между тонким прозрачным полупроводниковым электродом 1п2058п02 и МЖ в объеме ячейки [135]. В экспериментах настоящего диссертационного исследования использовались металлический и полупроводниковый электроды, так как их оптические свойства имеют характерные отличия. Металлический электрод характеризуется большим по сравнению с полупроводниковым электродом показателем поглощения и меньшим показателем преломления. Также, при описании металлического электрода необходимо учитывать наличие оксидной пленки, в то время как в слу-