WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2 Рассеяние фононов на границах малых кристаллов, помещенных в диэлектрическую матрицу пористого стекла © Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт низких температур и структурных исследований Польской академии наук, 50–950 Вроцлав, Польша E-mail: igor.smirnov@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 25 апреля 2002 г.

В окончательной редакции 23 мая 2002 г.) В интервале 5-300 K измерена теплопроводность пористого стекла с хаотически распределенными сообщающимися каналами размером 70 (пористость стекла 25%), а также теплопроводность композита пористое стекло + NaCl. В композите NaCl заполнял 1/4 пор, имеющихся в стекле. Полученные экспериментальные результаты для теплопроводности композита удалось объяснить лишь в предположении рассеяния фононов на границах нанокристаллов NaCl, введенных в каналы пористого стекла.

Работа выполнена в рамках соглашения между Российской и Польской академиями наук при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 02-02-17657 и 00-02-16883).

В последние годы в ведущих лабораториях мира ин- этого необходимо лишь погрузить пористое стекло в тенсивно проводятся исследования физических свойств требуемый раствор и затем высушить пропитанное стекнебольших частиц металлов и полупроводников, введен- ло. Для введения несмачивающих жидкостей в поры ных в нанопустоты или наноканалы пористых диэлектри- стекла используется техника высокого давления.

ческих матриц: цеолитов, опалов, асбестов и пористых С помощью рассмотренных выше методик в пористые стекол. Целью таких исселедований является изучение стекла вводились Ga, Hg, In, NaCl, сегнетоэлектрики фундаментальных свойств микро- и наночастиц для и исследовались их физические свойства (изменение возможного использования их в современной технике и температур сверхпроводящего перехода, плавления и наноэлектронике [1–5]. затвердевания; особенности поведения удельного элекВ настоящей работе нас будут интересовать наноком- тросопротивления, теплоемкости, теплопроводности, оптических характеристик, рассеяния нейтронов и т. д.) [2].

позиты на основе пористых стекол.

Значительный интерес для физики малых частиц Пористое стекло — это продукт химической реакции представляют исследования поведения в них фононов, кислот с исходным натрийборосиликатным стеклом, включая особенности рассеяния фононов на границах прошедшим специальную термообработку [6]. Состав нанокристаллов [9], оценку роли поверхностных коленатрийборосиликатных стекол колеблется в следующих баний [10,11] и изменения фононного спектра [12,13].

пределах: SiO2 —80-96%, B2O3 —3-13%, Na2O — К сожалению, имеется очень мало работ, посвящен0.5-1.5%. При реагировании с кислотами различной ных исследованию теплопроводности нанокомпозитов на концентрации происходит вытравливание из исходного основе пористых стекол. Мы попытались, по возможностекла окислов натрия и бора с образованием конечного сти, заполнить этот пробел и провели исследование теппродукта — пористого стекла. Размеры хаотически раслопроводности нанокомпозита пористое стекло + NaCl.

положенных пор–каналов колеблются в пределах от Для измерения теплопроводности использовано порисдо 150 [6]. Пористость (количество пор на единицу обтое стекло с хаотически расположенными и достаточно щего объема) и степень однородности пор по размерам однородными каналами диаметром 70, объем пор определяются составом исходного стекла и режимами составлял 25% от объема образца. Исходное натрийего термической обработки перед вытравливанием и в боросиликатное стекло имело состав самом процессе вытравливания. Получающееся пористое стекло можно представить как совокупность тесно SiO2 —91.7%, B2O3 —7.3%, Na2O —0.5%.

примыкающих друг к другу шаров SiO2 с различными диаметрами [7,8]; пространство между этими шарами Высушенный (после прогрева до 250C) образец по(пористость) составляет в таких стеклах 25 27% от ристого стекла размером 5 5 12 mm погружался в объема образца. водный раствор NaCl и находился там до полной проВ поры стекла можно ввести тот или иной наполни- питки. После пропитки образец извлекался из раствора, тель: металлы, полупроводники, изоляторы. Жидкости, просушивался, макрокристаллы NaCl, образовавшиеся смачивающие стекло, легко входят в его пустоты, так на его поверхности, удалялись механическим путем.

что введение в поры веществ, растворенных в таких Взвешивание образца до и после введения NaCl покажидкостях, не представляет большой сложности. Для зало, что 1/4 часть объема пор образца занята NaCl.

360 Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский хотя NaCl занимает в стекле всего лишь 6% от имеющихся в нем пор.

2) В интервале 5-25 K композита равна исходного пористого стекла.

Первая особенность не вызывает вопросов, хотя, конечно, интересно, что небольшое заполнение пор хлористым натрием приводит к достаточно заметному эффекту в композита.

Несколько необычно выглядит вторая особенность.

Отсутствие вклада в композита от введенного в него NaCl можно было бы ожидать лишь тогда, когда Рис. 1. a — температурные зависимости теплопроводности пористого стекла (1), композита пористое стекло + NaCl (2) и образца композита, из которого NaCl удален путем растворения в воде (3). b — температурная зависимость теплопроводности композита пористое стекло + NaCl (сплошная кривая — данные (2) рис. 1, a) и расчет теплопроводности для этого композита по формуле (2) [15] (точки) в предположении, что нанокристаллов NaCl, расположенных в каналах пористого стекла, значительно меньше объемного монокристалла [16] из-за рассеяния фононов на границах нанокристаллов.

Измерение теплопроводности ( ) проводилось в интервале температур 5-300 Kна установке, аналогичной описанной в [14].

Полученные результаты для исходного пористого стекла и композита пористое стекло + NaCl представлены на рис. 1, a и 2. После проведения измерений композита образец был помещен в воду и введенный в него NaCl был полностью вымыт, что и показало взвешивание вымытого и просушенного образца. После тщательной просушки у него была вновь измерена (T ) (от 80 до 300 K). Теплопроводности исходного и вымытого пористого стекла полностью совпали (рис. 1, a).

Исследовавшиеся пористое стекло и композит явля- Рис. 2. Температурные зависимости теплопроводности пористого стекла (1) и нанокомпозита пористое стекло + NaCl (2).

ются изоляторами, так что измеренная на эксперименте 3 —расчет нанокомпозита по формуле (2) [15] с учетом eff теплопроводность является теплопроводностью кристалрассеяния фононов на границах нанокристаллов, расположенлической решетки ( = ).

ph ph ных в каналах стекла. Вставка B — низкотемпературный учасНадо отметить две интересные особенности, обнаруток. Штриховая кривая на рисунке и вставке B — расчет eff женные нами в поведении (T ) композита.

по формуле (2) [15] в предположении, что теплопроводность 1) В интервале температур 25-300 K компози- наполнителя (NaCl) равна теплопроводности объемного монота заметно превышает исходного пористого стекла, кристалла [16].

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Рассеяние фононов на границах малых кристаллов, помещенных в диэлектрическую матрицу... По формуле (1) l = const = 70, Cv(T ) и v = const для области температур 180-5K [18–21] можно рассчитать (T ) (кривая 2 на рис. 4) для нанокристалph лов NaCl, находящихся в каналах пористого стекла.

Если теперь воспользоваться этими значениями для ph NaCl в пористом стекле, то, как видно из рис. 1, 2, и таблицы, для области температур 5-35 K получим, что NaCl в каналах пористого стекла матрицы (пористого стекла).

Таким образом, становится понятно, почему в интервале температур 5-35 K композита матрицы.

Указанное выше качественно подтверждается и расчетами, проведенными нами для оценки величины теплопроводности исследовавшегося композита. Теплопроводность композита рассчитывалась по известной eff формуле (2) В.И. Оделевского [15] для стандартного композита m eff = 1 -, (2) 1 1-m mat 1- Рис. 3. Температурная зависимость длины свободного пробега fill где =, m — объем, занятый материалом-наполниmat фононов в объемных кристаллах NaCl [17].

телем, и — соответственно теплопроводности fill mat наполнителя (NaCl) и матрицы (пористое стекло).

В качестве использовались данные для объемного fill в композите наполнителя (в нашем случае NaCl) монокристаллического NaCl [16] и полученные нами будет матрицы (пористого стекла) или намного меньше ее ( наполнителя матрицы). Объяснить обнаруженный на эксперименте эффект не удается, если считать, что величина NaCl в стекле — такая же, как и в объемном материале. Так, например, при 5 K объемного NaCl, согласно [15], равна 600 W/m · K, а теплопроводность композита и матрицы, по нашим данным (рис. 1 и 2), составляет лишь 0.03 W/m · K.

Теплопроводность NaCl в каналах пористого стекла может быть порядка (или меньше) теплопроводности матрицы при низких температурах только при условии, что в нанокристаллах NaCl, расположенных в каналах пористого стекла, будет иметь место размерный эффект, т. е. длина свободного пробега фононов (l) будет ограничиваться размерами нанокристаллов NaCl.

Длину свободного пробега фононов для объемного монокристалла NaCl можно оценить по (1) [17] 3 ph l =. (1) Cvv Здесь Cv — теплоемкость при постоянном объ еме [18–20], v — средняя скорость звука [21]. Результаты расчета l по (1) для монокристалла NaCl представлены на рис. 3.

Будем считать, что поперечные размеры нанокристаллов NaCl, расположенных в каналах пористого стекла, равны размерам этих каналов (70 ).1 Тогда для нанокристаллов NaCl в стекле l будет равна 70, а температура максимума (T ) для них придется на 180 K (рис. 3).

Рис. 4. Температурная зависимость теплопроводности моно кристалла NaCl (1) [15] и NaCl при условии, что v const, Поперечные размеры нанокристаллов NaCl могут быть и меньше, чем 70 [11]. а l = const = 70 (2).

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 362 Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.В. Фокин, Х. Мисиорек, Я. Муха, А. Ежовский Значение теплопроводности объемного монокристалла NaCl, нанокристаллов NaCl, расположенных в каналах пористого стекла, пористого стекла и нанокомпозита пористое стекло + NaCl для области низких температур композита NaCl пористого монокристалла нанокристаллов NaCl T, K + пористое стекло стекла NaCl [16] в пористом стекле 5 0.03 0.03 600 0.10 0.05 0.05 900 0.Примечане. в единицах W/m · K.

данные для нанокристаллов NaCl, расположенных в частиц матрицы (полукристаллические материалы) [23] каналах пористого стекла (кривая 2 на рис. 4). и др. и аморфного стекла. Будем называть эти композиты микрокомпозитами (в отличие от нанокомпозитов).

Как видно из рис. 2, расчет при = объемного fill NaCl (штриховая кривая) для области низких темпера- Дополнительное рассеяние фононов, приводящее к уменьшению теплопроводности в этих композитах при тур T < 35 K, где, согласно эксперименту, композита равна матрицы, неудовлетворительно описывает ре- низких температурах, возникало из-за наличия в них контактного теплового сопротивления rв между кризультаты эксперимента. Напротив, достаточно хорошее сталлами (или аморфными частицами) наполнителя и совпадение расчетных и экспериментальных данных для аморфной матрицы.3 Согласно [23–25], rв T-3 и завсего исследованного интервала температур 5-300 K висит от соотношения акустических параметров, плотмы получили, когда в качестве в формуле (2) испольfill ности наполнителя и матрицы.

зовали данные для теплопроводности нанокристаллов, Однако в нашем случае имеется ряд фактов, которасположенных в каналах пористого стекла (кривая рые не укладываются в рамки модели, рассмотренной на рис. 4).

в [23–25]. По данным [22–24], при понижении температуНеобходимо отметить, что мы провели только кары пересекает в одной точке и при дальнейшем eff mat чественный анализ полученных результатов. Реальная понижении температуры быстро уменьшается по закону, картина поведения нанокомпозита на основе пористого -близкому в T, так что становится намного eff eff стекла и материала, введенного в его каналы, намного меньше. В нашем же случае подобного поведеmat сложнее. Мы рассматривали рассеяние фононов граниния для исследованного нанокомпозита не обнаружено.

цами образца в предположении, что нанокристаллы NaCl У него отсутствует отмеченная выше „точка пересечесвободны. Реально необходимо учитывать, что они не ния“, а вместо этого в интервале температур 4-35 K свободны, а находятся в матрице, которая сама может = и не наблюдается никакого уменьшения eff eff mat оказывать существенное влияние на характер поведения при понижении температуры (при T < 30-35 K).

теплопроводности наполнителя. Кроме того, в нашем Отсутствие в нашем эксперименте эффекта, обнаанализе мы не учитывали возможного влияния на руженного в [22–24], возможно, объясняется тем, что малых кристаллов поверхностных колебаний2 [10,11] и акустические параметры и плотности материалов, из изменения фононного спектра [12,13].

которых образован нанокомпозит (аморфный кварц и Однако все же можно сделать заключение, что, векристаллический NaCl), не очень сильно различаются роятно, процесс рассеяния фононов на границах наномежду собой [21–25]. Таким образом, rв становится кристаллов, расположенных в каналах матрицы, являнезначительным по сравнению с вкладом в от расется доминирующим в поведении (T ) для небольших сеяния фононов на границах нанокристаллов NaCl, ввеобъектов.

денных в каналы матрицы из пористого стекла, либо для В заключение необходимо обратить внимание на еще нанокомпозитов имеет место иная зависимость для rв по одну возможность интерпретации полученных нами ресравнению с микрокомпозитами.

зультатов для нанокомпозита пористое стекло + NaCl.

В экспериментальных и теоретических рабо- Авторы благодарят Ю.А. Кумзерова за плодотворную тах [22–25] и ряде других исследований рассматривалась дискуссию.

возможность появления при низких температурах T < 20-10 K дополнительного рассеяния фононов в Список литературы композитах, у которых в матрицу (эпоксидная смола, полимеры и др.) вводились частицы достаточно больших [1] В.Н. Богомолов, Т.М. Павлова. ФТП 29, 826 (1995).

размеров (от 1 до 100 µm) кристаллического кварца, [2] Yu.A. Kumzerov. Nanostructured Films and Coatings / Ed.

алмаза, корунда [22], меди [24], закристаллизованных by Gan-Moog Chow, Ilya A. Ovid’ko. Thomas Tsakalakos Kluwer Academic Publishers, Dordrecht–Boston–London, Влияние поверхностных мод на малых частиц, вероятно, можно Nato Science Series, 3 High Technology, 78, 63 (2000).

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.