Газочувствительные свойства тонкоплёночных композитов на основе поли-п-ксилилена с наночастицами различных металлов и полупроводников

• Автор: Хныков, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Обзор современных газовых сенсоров

1.1.1 Пьезорезонансные сенсоры

1.1.2 Полупроводниковые газовые датчики

1.2 Нанокомпозиты, их свойства и применение

1.2.1 Электронные свойства наночастиц

1.2.2 Синтез нанокомпозитов

1.2.3 Проводимость нанокомпозитов

1.2.4 Каталитические свойства наночастиц

1.2.5 Оптические свойства и фотопроводимость нанокомпозитов
1.3 Нанокомпозитные сенсоры
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Получение образцов
2.2 Методы изучения структуры нанокомпозитных плёнок
2.2.1 Определение толщины плёнки
2.2.2 Нахождение содержания металла(полупроводника) в плёнке
2.2.3 Исследование структуры композита методом рентгеновской дифракции в больших и малых углах
2.2.4 Исследование морфологии поверхностей нанокомпозитов с
помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ)
2.3 Измерение сенсорных свойств нанокомпозитов
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Композиты как перколяционные системы и структура нанокомпозитов
3.1.1 Структура нанокомпозитов на основе ППК, содержащих наночастицы различных металлов и полупроводников
3.1.2 Структура нанокомпозитных плёнок, содержащих титан

3.1.3 Характеристика образцов как перколяционных систем
3.2 Сенсорные свойства проводимости нанокомпозитов
на постоянном токе
3.3 Сенсорные свойства импеданса нанокомпозитов
3.4 Свойства параметров установления стационарного
режима
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных проблем современной физической химии является разработка новых недорогих, простых методов анализа состава газовой смеси, которые в то же время позволяли бы достигнуть высокой чувствительности и давали бы возможность измерять концентрацию различных газов и паров независимо друг от друга. Приборы типа “электронный нос”, т.е. газовые химические сенсоры приобретают большое значение в новых условиях, диктуемых современным состоянием промышленности, быта и других сфер человеческой деятельности. В работе в качестве термина “сенсор” будем использовать следующее определение - устройство, избирательно откликающееся на определённые свойства окружающей среды и преобразующее этот отклик в электрический или оптический сигнал [1]. Газовые сенсоры могут быть использованы в решении таких задач, как экологический мониторинг, изучение выбросов промышленных предприятий и средств транспорта, безопасность и охрана здоровья человека в условиях производства, поиск отравляющих, взрывчатых и наркотических веществ, дегазация местности в случае применения химического оружия или аварий на химическом производстве, медицинская диагностика, проверка качества продуктов питания и т.д.Очевидно, что важность этих приборов не уменьшится в будущем, например при исследовании атмосфер на других планетах, состава вулканических газов, при изучении возможностей приспособления человека к непривычным условиям существования, при поиске альтернативных углеводородным источников энергии и др.
Традиционные методы определения состава газовой смеси, такие, как газовая хроматография и масс-спектрометрия, требуют сложной аппаратуры и длительного времени, необходимого для проведения эксперимента, поэтому весьма актуальной является разработка малогабаритных устройств, потребляющих малую мощность и демонстрирующих обратимый и селективный отклик на состав газовой среды. Важным требованием, предъявляемым к газовым сенсорам, является также возможность проводить измерения в режиме реального времени непосредственно на месте, где возникла необходимость в этих измерениях (т.е. на производстве, в загазованной местности, в лечебных учреждениях, в помещениях, предназначенных для хранения скоропортящихся продуктов и т. д.)
Примерно 15-20 лет назад, были разработаны газовые сенсоры для измерения содержания в воздухе таких газов, как СОг, СО, БОг, 02, Оз, Н2, Аг, N2, ГШз, Н20, однако эти датчики имели низкую селективность и высокие рабочие температуры [2]. Кроме того,

г = р/2(1п(е2Уо/(кТ2т))-У/кТ),

где £т - омическая проводимость матрицы. Как показано в [81],
£ = £т(Рн-рГ, (7)
где ц~1 - критический индекс, р = 4л№3/3 - среднее число связей на одну частицу, N - среднее число частиц на единицу объёма, рн~2,7 - критическое число связей, откуда получаем:
£ = 1т(2,7-(71Н/6)((еЬ2£0/ше2)1п(е2у/(кТ£т))-Ь2/(кТтК))3)‘1, (8)
где Я - радиус наночастицы, е - диэлектрическая проницаемость. Это уравнение описывает зависимость проводимости от диэлектрической проницаемости матрицы.
Влияние свойств матрицы на проводимость композита может проявляться в резком возрастании проводимости материала при адсорбции воды из-за резкого изменения диэлектрической проницаемости полимера (например, поливинилацетата) при его набухании.
При объёмном содержании, лежащем в диапазоне, соответствующем состоянию между образованием бесконечного кластера с прыжковой проводимостью и образованием истинного бесконечного кластера (с соприкосновением наночастиц), проводимость описывается формулой [82]:
£ = £0ехр(-У/кТ)ехр(-У, (9)
где Сс = 2гс/(3, £о = (Яо^,)"1, Ясг=кТ/(е2у), £, - радиус корреляции (характерный размер конечного кластера), т. е. для бесконечного кластера будет Сжл = Сс+1 [83]:
^К-|/3(2гс/р)у. (10)
Сравнение туннельного тока с током, обусловленным термоэлектронной эмиссией, показывает, что туннельный ток доминирует при расстоянии между частицами не больше 5 - бнм, и толщине внешней сферы - 2 - Знм [84].