WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 3 Диэлектрические и ЯМР-исследования нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия, © C.В. Барышников, Е.В. Стукова, Е.В. Чарная, Cheng Tien, M.K. Lee, W. Bhlmann, D. Michel Благовещенский государственный педагогический университет, 675002 Благовещенск, Россия Department of Physics, National Cheng Kung University, Tainan 71001, Taiwan Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, Россия Faculty of Physics and Geosciences, University of Leipzig, D-04103 Leipzig, Germany E-mail: charnaya@paloma.spbu.ru (Поступила в Редакцию 7 июня 2005 г.) Представлены результаты ЯМР- и диэлектрических исследований NaNO2, внедренного в мезопористые матрицы MCM-41 и SBA-15 с размером пор 20, 37 и 52. Проведены измерения скорости спин-решеточной 23 релаксации и формы линии ЯМР Na, а также комплексного импеданса в широком температурном интервале, включающем сегнетоэлектрический фазовый переход в объемном NaNO2. Показано сосуществование в условиях ограниченной геометрии двух различных фаз нитрата натрия — кристаллической и расплава.

Кристаллическая фаза претерпевает сегнетоэлектрический фазовый переход. Доля расплава увеличивается с ростом температуры. Наличие двух фаз объясняет всю совокупность экспериментальных результатов для NaNO2 в условиях ограниченной геометрии.

Работа выполнена при поддержке National Science Council of Taiwan (грант N 92-2811-M-006-014), Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-02-04001, 04-02-16159) и DFG.

PACS: 77.84.Lf, 76.60.-k, 64.70.Dv, 64.70.Nd В настоящее время большой интерес вызывают ис- словлено в значительной степени сложностью введения следования физических свойств систем пониженной раз- сегнетоэлектрических материалов в поры. Результаты мерности: тонких пленок, нитей, малых частиц. К та- исследований нитрита натрия, NaNO2, введенного в ким системам относятся также материалы, введенные в искусственные опалы, пористые стекла и молекулярные пористые матрицы с порами нанометрового диапазона. решетки, опубликованы в работах [4–8]. В [4] был Размерные характеристики материалов в ограниченной обнаружен гигантский рост диэлектрической проницаегеометрии определяются размерами пор, их геометрией, мости в нанопористых матрицах, заполненных NaNO2, степенью заполнения пор и смачиваемости стенок пор. в области сегнетоэлектрического фазового перехода в В первом приближении материалы в порах можно объемном нитрите натрия. Однако в [8] наблюдалась представить как частично связанную сетку малых ча- также временная эволюция диэлектрической проницае стиц. Влияние ограниченной геометрии изучалось для мости к значениям, характерным для объемного образвеществ, обладающих самыми различными свойствами, ца, сопровождающаяся смещением пика скорости спинвключая жидкие кристаллы, металлы в нормальном и решеточной релаксации. Метод дифракции нейтронов сверхпроводящем состояниях, простые, органические и был использован для изучения NaNO2 в пористом стекрасслаивающиеся жидкости, полимеры, сегнетоэлектри- ле в работе [6], в которой был обнаружен эффект аноки. Были выявлены значительные размерные эффекты, в мального увеличения амплитуды колебаний натрия при том числе вблизи фазовых переходов. Индуцированные температурах, превышающих температуры структурных ограниченной геометрией изменения многих свойств фазовых переходов в объемном нитрите натрия. Резулькоррелировали с теоретическими представлениями, раз- таты измерений спиновой релаксации Na в работе [7] витыми для изолированных малых частиц. Так, напри- были интерпретированы авторами как следствие постемер, понижение температур плавления и кристаллиза- пенного размягчения кристаллической решетки NaNO2, ции жидкостей в порах согласуется с моделями плав- введенного в пористое стекло. Состояние предплавлеления сферических наночастиц [1,2]. Однако в других ния было приписано авторами [7] всему количеству случаях (в частности, для перехода в сверхпроводящее NaNO2, содержащемуся в порах, что соответствовало состояние [3]) взаимодействие частиц в порах между отсутствию сегнетоэлектрического фазового перехода собой играло определяющую роль.

для NaNO2 в ограниченной геометрии. В то же время Свойства сегнетоэлектриков, введенных в пористые в [5,8] сообщалось о наблюдении для NaNO2 в пористом матрицы, исследованы сравнительно мало. Это обу- стекле и молекулярных решетках пика спин-решеточной 552 C.В. Барышников, Е.В. Стукова, Е.В. Чарная, Cheng Tien, M.K. Lee, W. Bhlmann, D. Michel релаксации, соответствующего сегнетоэлектрическому Измерения спектров ЯМР и времен спин-решеточной фазовому переходу. Таким образом, выводы работ, по- релаксации ядер Na для NaNO2 в порах проводились священных изучению свойств NaNO2 в нанопористых на импульсном спектрометре Avance 400 фирмы Bruker.

матрицах, противоречивы. Ларморовская частота прецессии составляла 105.8 MHz в поле 9.4 T. Скорость спин-решеточной релаксации В настоящей работе приводятся результаты исслеопределялась по восстановлению линии ЯМР после дований NaNO2, введенного в мезопористые решетки инверсии намагниченности 180 импульсом. Положение MCM-41 и SBA-15, методами электрофизики и ядерного линии ЯМР определялось относительно положения лимагнитного резонанса (ЯМР). Полученные данные опинии Na в 1 M водном растворе NaCl при 295 K.

сываются моделью размытого плавления нитрита натрия После приготовления образцы для удаления адсорбив порах, при котором часть NaNO2 находится в расрованной воды подвергались вакуумной сушке. Образплавленном состоянии с высокой ионной подвижностью, цы для ЯМР-исследований после этого помещались в а другая часть (с жесткой кристаллической решеткой) ампулы из кварцевого стекла. Перед диэлектрическиобладает свойствами, близкими к свойствам объемного ми измерениями образцы, как правило, дополнительно нитрита натрия.

прогревались при 400 K. Исследования проводились в широком температурном интервале вплоть до 535 K как в случае ЯМР, так и для импеданса. Температурная 1. Эксперимент стабилизация составляла порядка 0.5 K для обоих методов. Для сравнения был также исследован образец В качестве матриц использовались мезопористые сиполикристаллического NaNO2.

ликатные материалы MCM-41 и SBA-15. Эти материалы имеют гексагональную структуру типа пчелиных сот с толщиной стенок hw = 0.6-0.8 nm и калиброванным 2. Результаты размером каналов-пор. По данным электронной микроскопии для MCM-41 размеры пор составляли порядка Измерения показали, что для мезопористых матриц 37 (образец № 1) и 20 (образец № 2). Удельная поMCM-41 и SBA-15, заполненных NaNO2, на частоте верхность каналов 984 и 660 m2 / g для образцов №1 и 1 MHz наблюдается значительное возрастание диэлексоответственно. Размер пор для SBA-15, вычисленный трической проницаемости вблизи и выше температуры из изотерм адсорбции-десорбции азота, составил сегнетоэлектричесого фазового перехода в объемном (образец № 3). Удельная поверхность каналов 764 m2 / g.

нитрите натрия Tb = 437 K. На рис. 1 представлены Удельный объем пор для молекулярных решеток имеет результаты измерений для образцов № 1-3 при первом порядок 1 cm3 / g.

проходе после предварительного прогрева. ДиэлектриДля внедрения NaNO2 в нанопоры осуществлялись ческая проницаемость заполненной пористой матрицы следующие операции. Приготавливалась смесь обез- SBA-15 в максимуме превышает 600 (рис. 1), для воженного порошка MCM-41 или SBA-15 и нитрита натрия в необходимых пропорциях. Сегнетоэлектрик растворялся в дистиллированной воде так, чтобы получить насыщенный раствор. Порошок мезопористого вещества засыпался в раствор таким образом, чтобы весь раствор проник в поры, после чего смесь высушивалась. Из приготовленного порошка при давлении 8000-10 000 kg / cm2 прессовались образцы в виде таблеток диаметром 10 mm и толщиной 1-2 mm.

В спектрах порошковой дифракции рентгеновских лучей от приготовленных таким способом образцов имелись только очень слабые узкие линии, соответствующие объемному NaNO2. Малая интенсивность узких линий означала, что содержание объемного нитрита натрия не превышало 1% от общего количества NaNO2 в образце и не могло сказаться на результатах измерений.

Диэлектрические измерения проводились на частотах 102, 103, 104 и 106 Hz. На частотах 102, 103 и 104 Hz использовался измеритель импеданса E7-14, на частоте 106 Hz — E7-12. В качестве электродов применялась Рис. 1. Температурная зависимость диэлектрической прониIn-Ga-паста. По измерениям комплексного импеданса цаемости на частоте 1 MHz для мезопористых решеток с вверассчитывались вещественные части диэлектрической денным в поры NaNO2, измеренная после прогрева образцов проницаемости и проводимости образцов. при 400 K. Номера кривых соответствуют номерам образцов.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Диэлектрические и ЯМР-исследования нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия трической проницаемости при фазовом переходе слабо заметна на низких частотах (102-104 Hz).

Результаты измерений диэлектрической проницаемости, представленные на рис. 3 для образца № 1, не подвергавшегося предварительному прогреву, демонстрируют также значительные изменения свойств при последовательных циклах нагрева-охлаждения. При первом прогреве максимум проницаемости ярко выражен и сдвинут по сравнению с наблюдаемым для объемного образца NaNO2. Однако при последующих циклах максимум уменьшался и размывался, становясь практически незаметным начиная с пятого-шестого цикла. Образцы, находящиеся при комнатной температуре длительное время, „стареют“ значительно медленнее (примерно в течение двух месяцев). Аналогичные результаты были опубликованы нами ранее для NaNO2 в матрице SBA-15 [8].

На рис. 4 представлена температурная зависимость электропроводности нанопористой матрицы MCM-Рис. 2. Температурные зависимости диэлектрической про(C-12) (образец № 2), заполенной NaNO2, измеренная ницаемости для MCM-41 (образец № 2) с введенным в в свежеприготовленном образце на частоте 1 MHz. Как поры NaNO2, измеренные на различных частотах при третьем видно из рис. 4, температурная зависимость электронагреве. f, kHz: 1 —0.1, 2 —1, 3 — 10, 4 —103.

проводности имеет термоактивационный характер. Аналогичные зависимости наблюдались нами для других заполненных нитритом натрия пористых матриц.

Статический спектр ЯМР Na (спин I = 3/2) для объемного поликристаллического нитрита натрия состоит преимущественно из центрального 1/2 -1/перехода, уширенного квадрупольными взаимодействиями второго порядка [9]. Наши измерения показали, что спектры для NaNO2 в порах также состоят из одной Рис. 3. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на частоте 1 MHz для MCM-41 (образец № 1) с введенным в поры NaNO2, измеренная при первом, третьем и пятом нагревах.

матриц MCM-41 (C-16) и MCM-41 (C-12) (образцы № и 2) наблюдаются несколько меньшие значения, которые Рис. 4. Температурная зависимость проводимости на частотем не менее существенно больше значений для те 1 MHz для MCM-41 (образец № 2) с введенным в поры прессованного поликристаллического NaNO2 ( NaNO2, измеренная при первом нагреве. На вставке показана при фазовом переходе). Диэлектрическая проницаемость зависимость ln( T ) от обратной температуры в интервале увеличивается с уменьшением частоты, как это видно 370-450 K. Прямая построена по методу наименьших квадна примере образца № 2 (рис. 2), и аномалия диэлек- ратов для нахождения энергии активации.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 554 C.В. Барышников, Е.В. Стукова, Е.В. Чарная, Cheng Tien, M.K. Lee, W. Bhlmann, D. Michel личающимися на два порядка скоростями релаксации.

Примеры для образца № 3 при температурах 480 и 400 K показаны на рис. 6. В интервале температур, в котором отчетливо проявляются две компоненты линии ЯМР (рис. 5), при наблюдении восстановления ядерной намагниченности хорошо видно, что быстрая компонента релаксации соответствует узкой компоненте линии ЯМР, а медленная — широкой объемоподобной компоненте линии ЯМР.

3. Обсуждение результатов Двухступенчатая спиновая релаксация Na для нитрита натрия в ограниченной геометрии хорошо описывается суммой двух экспонент Mz (t) Рис. 5. Форма линии ЯМР Na для образца № 2 при - = b (1 - a) exp(-t Rslow) +a exp(-t Rfast), Mz нескольких температурах. Штриховая кривая — форма линии (1) ЯМР для порошка NaNO2.

где 1 - b — интенсивность сигнала ЯМР непосредственно после инверсии намагниченности, Rslow и Rfast — скорости релаксации, соответствующие медленной и быстрой компонентам спиновой релаксации, a —доля быстро релаксирующей компоненты.

Температурные зависимости скоростей релаксации Rslow и Rfast, а также доли быстро релаксирующей компоненты a для образца № 2, полученные в режиме нагрева и охлаждения для одного из реализованных температурных циклов, представлены на рис. 7-9. Аналогичный вид имеют соответствующие кривые для образцов № 1 и 3.

На рис. 7 дополнительно показаны измеренная нами температурная зависимость скорости R1 спин-решеточной Рис. 6. Восстановление намагниченности ядер Na в образце № 3 при температуре 480 (1) и 400 K (2). Сплошные кривые — расчет по формуле (1).

линии. Однако в отличие от объемного нитрита натрия линия ЯМР для NaNO2 в порах сильно изменяется с температурой в исследованном нами температурном интервале. На рис. 5 в качестве примера показана температурная эволюция линии для образца № 2. При температурах вблизи и ниже Tb линия ЯМР от NaNOв порах близка к линии объемного NaNO2, затем в ней выделяются две компоненты с разными ширинами, Рис. 7. Температурная зависимость скорости спин-решеточа при высоких температурах остается только узкая ной релаксации Rslow в образце №2 (1–3) и R1 в объемном компонента.

образце (4). 1 — нагрев, 2 — последующее охлаждение, Исследования спин-решеточной релаксации ядер Na 3 — нагрев при другом проходе. Сплошная линия показана для выявили две ступени релаксационного процесса с раз- визуализации зависимости R1(T ).

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Диэлектрические и ЯМР-исследования нанопористых матриц, заполненных нитритом натрия Из ЯМР-исследований объемного NaNO2 хорошо известно [10,11], что пик скорости спин-решеточной релаксации натрия наблюдается при температуре сегнетоэлектрического фазового перехода. Таким образом, полученные нами ЯМР-данные в совокупности с наблюдавшимся пиком диэлектрической проницаемости (рис. 1) однозначно указывают на существование сегнетоэлектрического фазового перехода для той части NaNO2, которая соответствует медленной компоненте релаксации. Из рис. 7 видно, что температура перехода несколько сдвигается при нагреве и охлаждении, а также от цикла к циклу, как и в [5,8].

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.