WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Макарова Людмила Геннадьевна УДК 541.124 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РЕНТГЕНОЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Специальность 01.04.01. – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск – 2003

Работа выполнена в Удмуртском государственном университете.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Шабанова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Домашевская Эвелина Павловна кандидат химических наук, доцент Трубачев Алексей Владиславович

Ведущая организация: Ижевский государственный технический университет

Защита состоится “26” декабря 2003 в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.275.03 при Удмуртском государственном университете по адресу: 426034, г.Ижевск, ул.Университетская, д.1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке УдГУ.

Автореферат разослан “25” ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент Крылов П.Н.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

В настоящее время углеродные материалы до сих пор являются основным объектом для изучения. Этому способствуют в большей степени их уникальные свойства. За последнее десятилетие, наряду с общеизвестными графитом и алмазом, большой интерес вызывает изучение совершенно новых углеродных форм: фуллеренов и нанотрубок.

Углеродные нанотрубки сочетают в себе свойства молекул и твердого тела и могут рассматриваться как промежуточное состояние вещества. Эта особенность привлекает к себе постоянное внимание исследователей, изучающих фундаментальные особенности поведения столь экзотического объекта в различных условиях. Углеродные нанотрубки проявляют ряд уникальных свойств. Одним из таких свойств является то, что нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. Реализация этого свойства нанотрубок открывает перспективу создания проводящих нитей диаметром порядка нанометра, которые могут стать основой электронных устройств нанометровых размеров. Соединение двух нанотрубок, имеющих различный угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки, а, следовательно, и различные электронные характеристики, может быть использовано в качестве основы электронных устройств следующего поколения. Указанные особенности, представляющие значительный научный интерес, могут быть положены в основу эффективного прикладного использования нанотрубок в различных областях науки и технологии.

Несмотря на огромное число теоретических и экспериментальных работ по изучению углеродных кластерных наносистем до сих пор нет единой картины, позволяющей объяснить структуру и свойства новых форм. Набор используемых экспериментальных методов для исследования химического строения углеродных кластерных наноструктур ограничен. В связи с этим приобретает особую актуальность развитие метода рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС). Метод РЭС позволяет исследовать электронную структуру, химическую связь, ближнее окружение атома с помощью уникальных магнитных электронных спектрометров. Выбор электронного магнитного спектрометра обусловлен рядом преимуществ по сравнению с электростатическими спектрометрами, заключающимися в постоянстве светосилы и разрешающей способности вне зависимости от энергии электронов, высокой контрастности спектров. Кроме того, метод РЭС является неразрушающим методом исследования, что особенно важно при исследовании метастабильных систем (аморфных сплавов, неупорядоченных порошков).

В связи с изложенным цель работы состояла в следующем:

развитие метода РЭС для исследований химического строения металлоуглеродных кластерных наноматериалов.

В соответствие с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Развитие метода РЭС для получения рентгеноэлектронных спектров непроводящих металлоуглеродных кластерных систем:

а) приготовление образцов;

б) выбор способа устранения эффектов зарядки поверхности и подбор материала подложки;

в) выбор режимов съемки спектров;

г) развитие методики идентификации C1s- спектров для изучения химической связи и ближнего окружения атомов углерода исследуемых систем с использованием эталонных образцов: фуллерена С60, однослойных и многослойных нанотрубок, аморфного углерода, графита, алмаза и углеводорода;

д) исследование сателлитной структуры эталонных спектров для определения типа sp- гибридизации валентных электронов атомов углерода металлоуглеродных кластерных наноструктур.

2. Применение метода РЭС для усовершенствования технологии получения металлоуглеродных нанотрубок методом низкоэнергетического синтеза;

3. Сравнительное исследование методом рентгеноэлектронной спектроскопии электронной структуры углеродных нанотрубок, полученных методом низкоэнергетического синтеза из ароматических углеводородов и методом электродугового синтеза;

4. Получение закономерностей образования химической связи атомов углерода в нанотрубках в зависимости от содержания комплексообразующих компонентов и металлических катализаторов на основе данных рентгеноэлектронной спектроскопии и сопоставление этих данных с квантово-химическими расчетами механизма образования нанотрубок.

5. Использование просвечивающей электронной микроскопии для контроля за образованием нанотрубок в исследуемых образцах.

6. Развитие метода РЭС для контроля получения углеродных нанотрубок.

Объектами исследований являлись:

1. металлоуглеродные кластерные системы, представляющие собой многослойные нанотрубки. Образцы получали методом низкоэнергетического синтеза из полициклических ароматических углеводородов (антрацена) или поливинилового спирта в присутствии металлических катализаторов. В качестве катализаторов использовались 3d- металлы (Mn, Co, Ni) в виде солей MeCl2 и ультрадисперсных частиц. Образцы были получены в Международном научно-образовательном центре химической физики и мезоскопии (г.

Ижевск);

2. углеродные наноструктуры: фуллерен С60, однослойные и многослойные нанотрубки, аморфный углерод, - полученные методом электродугового синтеза. Аттестация образцов была проведена методами рамановской спектроскопии и термогравиметрией.

Образцы были предоставлены Институтом проблем химической физики (г. Черноголовка);

3. эталонные образцы: графит и алмаз.

Научная новизна.

Впервые для исследований металлоуглеродных многослойных нанотрубок, получаемых методом низкоэнергетического синтеза, применен метод РЭС.

Для идентификации C1s- спектров и определения типа sp- гибридизации валентных электронов в исследуемых образцах была использована сателлитная структура спектров C1s.

В результате чего удалось установить новые научные результаты:

1) определяющую роль электронной структуры в получении нанотрубок: влияние заполнения d- оболочки металла на увеличение С-С связей относительно C-H и Me-C связей;

2) зависимость формирования структуры нанотрубок от состава исходных веществ:

увеличение содержания катализатора 3d- металла в смеси приводит к относительному увеличению С-С связей.

Научная и практическая ценность.

1. Расширена область применения метода РЭС для изучения металлоуглеродных наноматериалов 2. Полученные экспериментальные данные позволили усовершенствовать технологию низкоэнергетического синтеза металлоуглеродных наноструктур.

3. Результаты рентгеноэлектронных исследований нанокластерных систем указывают направление дальнейшего развития технологии получения нанотрубок (рост нанотрубок на фольгах, добавление их в коксы и др.).

4. Метод рентгеноэлектронной спектроскопии может быть использован для контроля за процессом синтеза металлоуглеродных нанотрубок.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработка метода РЭС с целью определения параметров спектров, ответственных за формирование структуры нанотрубок.

2. Зависимость образования С-С связей с sp2 и sp3 –гибридизацией валентных электронов атомов углерода, ответственных за получение нанотрубок, от заполнения 3d- оболочки металла - катализатора.

3. Использование метода РЭС в качестве контроля за процессом синтеза наноматериалов.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях и 3 семинарах:

• XYIII научная школа-семинар “Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь”, Воронеж, • Asia-Pacific Surface and Interface Analysis Conference, Beijing, China, • Всероссийский семинар «Наночастицы и нанохимия», Черноголовка, • I-st International Workshop on Nano-scale Spectroscopy and its applications to Semiconductor Research, Trieste, Italy, • International Symposium on the Science of Surfaces and Nanostructures, Singapore, • Международная конференция “Полимерные материалы пониженной горючести”, Волгоград, • 9th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA’2001, Avignon, France, • International symposium on metastable, mechanically alloyed and nanocrystalline materials ISMANAM’2001, Ann Arbor, Michigan, USA, • 5th Biennial International Workshop in Russia “Fullerenes and Atomic Clusters”, St.

Petersburg, Russia, 2001;

• Пятая российская университетско - академическая научно – практическая конференция, Ижевск, 2001;

• Конференция молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск, 2001;

• The Thirteenth International Conference on Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Trieste, Italy, 2001;

• 2-я международная Интернет - конференция по синтезу, исследованию и получению металлуглеродсодержащих тубуленов, Ижевск, 2001;

• Second International Symposium Physics and Chemistry of Carbon Materials Almaty, Kazakhstan, 2002;

• Вторая всероссийская конференция «Химия поверхности и нанотехнология», Санкт-Петербург – Хилово, 2002;

• Конференция молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск, 2002;

• Asia-Pacific Surface & Interface Analysis Conference, Tokyo, Japan, 2002;

• Школа-семинар молодых ученых ФТИ УрО РАН, Ижевск, 2003;

• 10th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA’03, Berlin, Germany, 2003;

• International Conference on Electronic Spectroscopy and Structure ICESS-9, Uppsala, Sweden, 2003;

• European Vacuum Congress, Berlin, Germany, 2003;

• Международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO2003, Сочи, 2003.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 статей и 21 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вводной части, четырех глав и заключения. Работа изложена на 129 страницах, содержит 41 рисунок, 5 таблиц, оглавление и список цитируемой литературы из 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность темы исследования, определена цель работы, сформулированы задачи, решаемые в диссертации. Выделены основные результаты, показана их научная новизна, научная и практическая ценность, приводятся основные положения, защищаемые в работе, излагается структура диссертации.

Первая глава содержит обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященный описанию структур углеродных материалов, их классификации, а также приведены данные по исследованию атомной и электронной структуры форм углерода существующими на сегодняшний день экспериментальными и теоретическими методами.

Рассматривается структура новых форм углерода: фуллерена и нанотрубки, а также их применение и способы получения.

На основании проведенного литературного обзора делается вывод о необходимости разработки нового энергосберегающего метода получения нанотрубок. В качестве такого метода в НОЦ УдНЦ УрО РАН разработан метод низкоэнергетического синтеза металлоуглеродных нанотрубок из ароматических углеводородов. Этот метод позволяет получать нанотрубки при сравнительно низких температурах, что оказывает благотворное влияние на окружающую среду, а также и на стоимость получаемых структур (стоимость углеродных нанотрубок снижается). Кроме того, получаемые трубки в процессе синтеза заполняются металлом и сразу могут быть использованы в электронике.

Из проведенного анализа работ по изучению электронной структуры сделан вывод об отсутствии систематических экспериментальных исследований электронной структуры нанотрубок. Кроме того, имеет место проблема, каким образом на начальном этапе осуществлять контроль за процессом синтеза нанотрубок. Наиболее подходящим методом является метод рентгеноэлектронной спектроскопии. В заключение главы сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе описываются основные принципы метода рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС), его возможности, преимущества и недостатки. Обосновывается выбор метода РЭС для исследования металлоуглеродных наноматериалов.

Работа проводилась на уникальном в мировой практике, автоматизированном рентгеноэлектронном магнитном спектрометре. Приводится конструкция и принцип действия прибора, основные технические характеристики которого: аппаратурное разрешение – 10-4, светосила – 0,085%.

Метод РЭС позволяет исследовать сверхтонкие поверхностные слои конденсированных систем в условиях, не требующих сверхвысокого вакуума, а также является неразрушающим методом исследований, что особенно важно при исследовании метастабильных систем (аморфных сплавов, неупорядоченных порошков). Кроме того, данный метод позволяет исследовать электронную структуру, химическую связь элементов и определять ближнее окружение атомов. Поэтому метод РЭС с использованием рентгеноэлектронного магнитного спектрометра является наиболее подходящим для решения поставленных задач.

Третья глава посвящена развитию метода РЭС для исследования металлоуглеродных нанотрубок, которое осуществлялось по двум направлениям: развитие методики проведения эксперимента; разработка нового метода калибровки спектров для идентификации C1s спектров.

Развитие методики проведения эксперимента заключалось в следующем:

• приготовление образцов;

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»