Тонкие пленки как основа химических и биологических сенсоров

• Автор: Дульцев, Федор Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 268 с. : ил.

Введение

Г лава 1. Литературный обзор.

1.1. Адсорбционные процессы как основа функционирования газовых сенсоров.

1.2. Адсорбция и капиллярные явления в пористых тонких пленках.

1.2.1. Классическая теория адсорбции.

1.2.2. Адсорбция и пористость

1.2.3. Термодинамика адсорбции.

1.3. Получение пористых тонких пленок

1.3.1. Получение тонких пленок диоксида кремния

1.3.2. Химическое модифицирование поверхности диоксида кремния.

1.4. Измерение силы отрыва адсорбированной частицы от поверхности

1.5. Квантовохимический подход к описанию адсорбционных и химических
взаимодействий в тонких пленках
Заключительные замечания к главе 1. Формулировка цели диссертационной работы
Глава 2. Исследование пористой структуры тонких пленок
и закономерностей ее формирования
2.1. Метод исследования пористой структуры тонких пленок.
2.1.1. Адсорбционная порометрия для тонких пленок.
2.1.2. Экспериментальное исследование адсорбции в тонких пленках.
2.1.3. Эллипсометрическая адсорбционная порометрия новый метод.
2.1.4. Расчет распределения микропор по размерам с использованием эллипсометрии
2.1.5. Экспериментальная проверка расчетного метода
2.2. Закономерности формирования пористой структуры гонких пленок
2.2.1. Закономерности формирования пористой структуры из газовой фазы
2.2.2. Низкотемпературное окисление силана в присутствии аммиака.
2.2.3. Механизм окисления силана кислородом
2.2.4. Получение изолирующих слоев БЮг с малой диэлектрической проницаемостью
методом осаждения из газовой фазы с использованием высокочастотною разряда.
2.2.5. Роль лапласовского давления в формировании структуры тонких слоев на основе
диоксида кремния
2.2.6. Фракгальность как структурная характеристика тонких пленок.
Заключительные замечания к главе
Глава 3. Тонкие пленки с функциональными группами как основа для твердотельных сенсоров.
3.1. Получение пористых пленок зольгель методом
3.1.1. Получение пористых слоев с функциональными группами и исследование их пористой структуры
3.1.2. Пористая структура слоев
3.1.3. Адсорбционная способность слоев.
3.1.4. ИК спектроскопическое исследование образования пористых слоев.
3.2. ИКсиектроскопическое исследование адсорбционного комплекса Б с третичными аминогруппами в полисилоксановых слоях.
3.3. Экспериментальное изучение селективной адсорбции Б на модифицированных слоях
3.4. Диффузионная модель взаимодействия рсцепторагенг для тонкой пленки.
3.5. Диффузия и химические превращения в тонких пленках упорядоченной структуры
3.5.1. Образование нанокластеров при взаимодействии сероводорода с пленками бегенатов кадмия, цинка, меди, полученных методом ЛенгмюраБлоджетг
3.5.2. Определение формы и размера кластеров по УФ спектрам поглощения пленок
3.5.3. Диффузионная модель взаимодействия газообразного реагента с пленкой упорядоченной структуры
3.5.4. Определение формы нанокластеров, полученных при сульфидировании слоев ЛенгмюраБлоджетг
3.5.5. Проверка правильности определения размера кластера в тонкой пленке. Электронно
микроскопическое исследование
Заключительные замечания к главе 3.
Глава 4. Измерение сил отрыва адсорбированной частицы от поверхности тонких пленок новый метод
4.1. Применение кварцевых микровесов в качестве сенсорного устройства
4.2. Измерение сил разрыва связей при помощи кварцевых микровесов
4.2.1. Описание метода.
4.2.2. Эксперимент. Схема установки и результаты.
4.3. Теория отрыва частиц от поверхности.
4.4. Практическое использование метода .
4.4.1. Определение бактериофагов.
4.4.2. Определение вирусов.
Заключительные замечания к главе
Глава 5. Квантовохимическое моделирование адсорбционных процессов и химических превращений в тонких пленках.
5.1. Образование адсорбционного комплекса
5.2. Исследование адсорбции. Поиск рецепторов
5.2.1. Моделирование взаимодействия диоксида серы с замещенными аминами и сопоставление теоретических результатов с экспериментальными данными.
5.2.2. Теоретический подбор чувствительного и селективного рецептора на БСЬ
5.2.3. Моделирование адсорбционного комплекса диоксида серы с ПАРТТОО
5.2.4. Экспериментальное исследование структуры адсорбционного комплекса газов с ИАРПОО.
5.2.5. Экспериментальное исследование адсорбционной способности пленок ОАРПОО по отношению к
5.3. Моделирование взаимодействий с короткоживущими свободными радикалами с экспериментальной проверкой методом ЭПР.
5.4. Моделирование реконструкции поверхности диоксида кремния, стимулированной
адсорбционным взаимодействием
Заключительные замечания к главе 5.
Выводы.
Благодарности
Список литературы


Тип Н2 характерен для некоторых пористых стекол. Для Н1 и Н2 главным является не форма пор, а соотношение размеров горл и полостей, а также однородность этих размеров. Тип ИЗ наиболее тесно связан с формой пор, он наблюдается, например, для многих активных углей. Поры при этом имеют щелевидную форму с плоскопараллельными стенками. Тип Н4 отражает комбинацию микро и мезопор, встречающуюся в некоторых типах активированных углей. Типы НЗ и Н4 имеют характерную особенность, состоящую в том, что ширина петли гистерезиса, измеренная как разность ординат десорбции и адсорбции, приблизительно постоянна во всей области гистерезиса. Кроме того, тип ИЗ имеет еще две характерные особенности. Первая адсорбционная ветвь имеет типичную для 2типа форму изотермы, вторая особенность отсутствие горизонтального участка. Нижняя граница капиллярноконденсационного гистерезиса. Известно, что для тонкопористых адсорбентов начало гистерезисной петли не наблюдалось при относительном давлении РР0 меньшем, чем 0. Минимальное РР0 определяется не пористой структурой адсорбента, а свойствами адсорбата. Это давление для воды при радиусе пор г пт равно МПа, при г 1 пт Р МПа. Растяжению жидкости в капилляре противодействуют силы сцепления ее молекул друг с другом, определяющие прочность жидкого адсорбата на разрыв. Существует критический радиус кривизны мениска каждого адсорбата, ниже которого жидкость под таким мениском существовать не может, следовательно, не может происходить дополнительного поглощения пара за счет капиллярной конденсации. Для аргона Гкр соответствует критическому радиусу кривизны, который примерно равен эквивалентному радиусу нор и составляет нм, для бензола и азота нм, для воды 1. Влияние силового поля стенок пор. Жидкость в поре находится в силовом поле твердого тела и адсорбированных молекул. Чем меньше размер лор, тем большее воздействие оказывается на адсорбированную жидкость. Влияние кривизны мениска на величину поверхностного натяжения. В выведена зависимость поверхностного натяжепия от радиуса кривизны мениска на основе статистической теории жидкости оа,я 1 г1, где б параметр, близкий к диаметру молекул и равный для азота 0. Из этого уравнения видно, что заметное отклонение сг от его значений для нормальной жидкости начинается лишь при малых г. Так, для азота при г 5. Нм аас. Нм увеличивается в 1. Адсорбционные силы . Адсорбция газа твердым телом есть результат действия сил притяжения между отдельными молекулами газа и атомами или ионами твердого тела. Эти силы теоретически изучены несколько десятков лет назад. Во всех работах рассматриваются идеализированные модели, поэтому нет точной теории, с помощью которой можно было бы рассчитать изотерму адсорбции, зная параметры газа и твердого тела. Но данной теории достаточно, чтобы попеть природу адсорбционного процесса и роль влияющих на него факторов, например, влияние увеличения поляризуемости молекул на величину абсорбции. Силы, ответственные за адсорбцию, всегда включают дисперсионные силы притяжения и короткодействующие силы отталкивания. Кроме того, если твердое тело или газ имеет полярную природу, может сказываться действие кулоновских сил. Дисперсионные силы возникают изза быстрых флуктуаций электронной плотности в каждом атоме, который индуцирует электрический момент у ближайшего соседа. Это уравнение справедливо, когда атомы удалены друг от друга на не слишком большое расстояние. С можно рассчитать, исходя из электрических и магнитных свойств атомов А и В. С 6 тс2 аА аваАХА авхв где с скорость света. А и аи поляризуемость, Ха и хв магнитная восприимчивость атомов А и В. Здесь е и т заряд и масса электрона число электронов, участвующих во взаимодействии атомов А и В. Термодинамика адсорбции. Обычно адсорбция газов на твердых телах сопровождается выделением тепла. При термодинамическом описании адсорбции предполагается, что адсорбент инертен, так что потеря или выигрыш энергии является результатом только изменения состояния адсорбтива вследствие его перехода на поверхность или ухода с нее.