Жартылай өткізгіш нанокристалдарды синтездеу технологиясы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 14 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасы Білім және Ғылым министрлігі
Қ.И Сәтбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық зерттеу университеті

Ө.Байқоңыров атындағы Тау-кен металлургия институты
Материалтану, нанотехнология және Инженерлік физика кафедрасы

КУРСТЫҚ ЖҰМЫС

Тақырыбы: Жаңа наноматериалдар. Синтез.

Орындаған: Жағыпар Р.Р.

Ғылыми жетекші: Лесбаев А.Б.
(қол,күні)

Алматы 2021ж

Мазмұны

Кіріспе

І. Наноматериалдар
1.1.Наноматериал
1.2. Жаңа наноматериалдар

ІІ. Наноматериалдарды синтездеу әдістері
2.1. ZnO-SiO2 нанокомпозиттік қабаттарын Золь-гель әдісімен алу
2.2. Химиялық тұндыру әдісімен оксидті наноұнтақтарды синтездеу
2.3. Анниоды адсорбция әдісімен наноұнтақтардың бетін металл
катализаторамиямен түрлендіру
2.4. PEDOTPSS өткізгіш полимер кешені және бейорганикалық нанобөлшектер
негізінде композиттік пленкаларды қалыптастыру және олардың
электрофизикалық қасиеттерін зерттеу

2.5. Жартылай өткізгіш коллоидты нанобөлшектерді синтездеу және олардың
оптикалық қасиеттерін зерттеу

ІІІ. Қорытынды

IV. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

І. Наноматериалдар

1.1.Наноматериал

2004 жылы нанотехнология бойынша 7-ші Халықаралық конференцияның
ұсынысына сәйкес келесі типті наноматериалдар анықталды:
нанобөлшектер;
- нанотүтікшелер және нановолокналар;
- нанопорлы құрылымдар;
- нанодисперсиялар (коллоидтар);
- наноқұрылымды беттер мен пленкалар;
- нанокристалдар мен нанокластерлер

Нанокристалдар мен нанокласттар-мөлшері 1-ден 5 нм-ге дейін, құрамында
1000-ға дейін атом бар реттелген құрылымның бөлшектері. Наноәлемде
құрылымдық түрлердің ерекше әртүрлілігі жүзеге асырылады.
5-тен 100 нм-ге дейінгі нанобөлшектер 1000...1 000 000 атомнан тұрады. Жіп
тәрізді және ламельді бөлшектердің құрамында әлдеқайда көп атомдар болуы
мүмкін және наноәлем үшін анықталған шекті мәннен асатын бір немесе тіпті
екі сызықтық өлшемге ие, бірақ олардың қасиеттері нанокристалды күйдегі
затқа ғана тән болып қалады. Нанобөлшектер әртүрлі құрылымдық элементтерді
көрсетеді: бір, екі немесе үш өлшемді, фракталдық және олардың барлық
комбинациясы. Егер нанобөлшек күрделі пішін мен құрылымға ие болса, онда
сипаттама ретінде бөлшектің сызықтық өлшемі емес, оның құрылымдық
элементінің мөлшері мен түрі (түрі) қарастырылады. Мұндай бөлшектер,
әдетте, наноқұрылымдар деп аталады, олардың сызықтық өлшемдері 100 нм-ден
едәуір асады. Наноқұрылымдардың құрылымдық элементтері қандай басым
анизотропияға байланысты, соңғылары нөлдік, сонымен қатар бір, екі және үш
өлшемді болып бөлінеді. Наносистемалардың ең маңызды ерекшелігі-олардағы
өлшемді кванттау әсерінің көрінісі.
Наносистемалар тек тепе-тең емес құрылымдар болып табылады және дамыған
беттің болуына байланысты өзіне тән өзін-өзі ұйымдастырумен ерекшеленеді.
Наноәлемде тірі және жансыз табиғат арасындағы конвергенция өте ықтимал.
Наноқұрылымдарға ерекше фрагментация тән. Наноқұрылымдардағы фрагменттер
нүктелік, сызықтық, беттік, көлемдік және фракталдық объектілерге тән
белгілерге ие болуы мүмкін.

ІІ.. Наноматериалдарды синтездеу әдістері

2.1. ZnO-SiO2 нанокомпозиттік қабаттарын Золь-гель әдісімен алу

Бұл әдістің мақсаты -наноқұрылымды мырыш оксиді негізінде нанокомпозиттерді
қалыптастыру кезінде золь-гель технологиясы процесімен танысу.
"Золь-гель технологиясы" термині бейорганикалық материалдарды дайындау
процестерінің жиынтығын білдіреді, олардың жалпы белгілері ерітінді түрінде
бастапқы компоненттерді гомогенизациялау, оларды күлге, содан кейін гельге
ауыстыру болып табылады.
Золь-гель технологиясы синтез сатысында сұйық күйдегі заттармен жұмыс істей
отырып және бастапқы компоненттерді молекулалық деңгейде гомогенизациялай
отырып, экологиялық тұрғыдан үнемді және қауіпсіз технологияларға жатады.
Негізгі шығындар, жоғары білікті қызметкерлердің қызметтерінен басқа,
Реактивтердің құнымен байланысты.
Полимерлі күл гелі күлдегі мономерлер мен полимерлерді полимерлеу кезінде
пайда болады. Біртіндеп полимерленетін тармақталған олигомерлерден алып
кластер пайда болады. Бұл кластер макроскопиялық өлшемдерге жетіп, күлдің
бүкіл көлеміне таралған кезде, золаның гельге ауысуы болған дейді. Бұл
жағдайда гель бір жағынан үздіксіз құрылымдық тордан – қатты қаңқадан
(қаңқадан), екінші жағынан үздіксіз сұйық фазадан тұрады. Коллоидты гельдің
пайда болуы басқа механизмде жүреді. Дисперсиялық тартылыс күштерінің
әсерінен дисперсті фазаның (мицелланың) бөлшектері бір-бірімен әрекеттесіп,
Бейорганикалық полимердің қаңқасын құрайды. Химиялық байланыстар мен өзара
әрекеттесулердің түріне негізделген гельді анықтау мүмкін емес, өйткені сол
гель жүйесіндегі күлдің түріне байланысты
мүлдем басқа химиялық және физикалық процестер жүреді. Полимерлі гельдер
молекулалар мен алып кластерді құрайтын молекулалардың фрагменттері
арасында коваленттік байланыстардың болуымен сипатталады.
Коллоидты гельдер агрегаттар арасындағы Ван-дер-Вааль тарту күштері
есебінен жасалады. Сонымен қатар, коллоидтық жүйелерде бұл байланыстар
қайтымды болуы мүмкін, яғни.шайқау кезінде құлап, содан кейін қалпына
келеді. Полимер жүйелерінде коваленттік байланыс тұрақты жұмыс істейді.
Гельдің қартаю процесінде әдетте оның шөгуі болады. Ол гель торының
деформациясын және тері тесігінен сұйықтықты алып тастауды қамтиды.
Кептірілген гель ксерогель деп аталады. Ксерогельдің көлемі көбінесе дымқыл
гель көлемінен 5...10 есе аз. Ылғал гельді оның құрылымын бұзбай кептіруге
мүмкіндік беретін арнайы әдістер бар. Мысалы, аэрогельдерді алудың заманауи
әдісі-суперкритикалық кептіру. Ол үшін дымқыл гель автоклавқа салынып,
суперкритикалық жағдайда кептіріледі, онда сұйықтықтың тері тесігінен
шығарылуына жол бермейтін капиллярлық күштердің әрекеті жойылады.

Кептіруден кейін ксерогельдер мен аэрогельдер отқа ұшырайды (термиялық
от), оның барысында әйнек немесе керамикалық материал пайда болады. Өрт
кезінде органикалық емес гель торына салынған органикалық фрагменттердің
жойылуымен, еріткіштерді, жойылатын Ұшпа өнімдерді және химиялық
байланысқан суды шығарумен байланысты күрделі физикалық және химиялық
процестер жүреді. Бейорганикалық полимердің құрылымы қайта құрылуда-
синтездеу процестері жүреді, ал кейбір жағдайларда кристалдану.
Олардың ағымының жылдамдығы мен толықтығына химиялық және технологиялық
факторлар әсер етеді, атап айтқанда алкокси қосылысының табиғаты мен
мөлшері, су мөлшері, ортаның қышқылдығы (РН), органикалық еріткіштердің
табиғаты мен мөлшері, гель жүйелерінің күлін гомогенизациялау әдістері,
температура мен синтездің ұзақтығы. Залда гидролиз және поликонденсация
процестері тереңдеген сайын, тұтқырлықтың жоғарылауымен және гельге
ауысумен аяқталатын құрылымдау процестері жүреді. Si(OR)4 төрт функционалды
тобы бар қосылыстар болып табылатын алкоксин қосылыстарының гидролизі
өнімдері құрылымдық күрделілігімен ерекшеленеді және үлкен ұзындықтағы
сызықтық молекулалар, циклдар және үш өлшемді жоғары молекулалық полимерлі
құрылымдар жиынтығы бола алады.

2.2 Химиялық тұндыру әдісімен оксидті наноұнтақтарды синтездеу

Химиялық тұндыру әдісінің мақсаты-химиялық тұндыру әдісінің негіздерін
зерттеу және оксидті наноұнтақтарды синтездеудің практикалық дағдыларын
алу.

Оксидті наноұнтақтар синтезінің теориялық негіздері

Нанотехнологияның маңызды бағыттарының бірі-наноөлшемді ұнтақтарды
(наноұнтақтарды) алу. Нанодисперс күйіндегі заттардың іргелі қасиеттерінің
өзгеруі наноұнтақтарды жаңа материалдар мен технологияларды, түбегейлі жаңа
аспаптар мен құрылғыларды жасау үшін пайдалануға мүмкіндік береді.
Наноұнтақтарға ерекше қызығушылық оларды керамикалық, магниттік және
композициялық материалдарды, суперөткізгіштерді, күн батареяларын,
сүзгілерді және т.б. өндіру үшін қолданумен байланысты. Бұл әдістердің
негізгі міндеті – наноөлшемдерді синтездің барлық кезеңдерінде сақтау,
өйткені наноұнтақтар артық бос беттік энергияға байланысты метастабильді
күйде болады.
Ерітінділерден наноұнтақтарды синтездеудің келесі әдістері кең таралған:
- химиялық тұндыру әдісі;
- Золь-гель әдісі;
- тұз ерітінділерін бірлесіп кристалдау әдісі;
- аэрозольдардың пиролизі.
Жоғарыда аталған барлық химиялық тұндыру әдісі нано ұнтақтардағы
кристаллиттердің мөлшерін дәл басқаруға, сондай-ақ бөлшектердің мөлшері
бойынша біркелкі таралуына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Сондықтан,
қазіргі уақытта ол оксидті наноматериалдарды алу үшін кеңінен қолданылады

Әдістің мәні гельді олардың ерітінділерінен амфотериялық металл
гидроксидтерін бір уақытта тұндыру арқылы қалыптастыру, содан кейін
кальцийлеу. Әдістің негізгі артықшылықтары:
- техниканың қарапайымдылығы мен әртүрлілігі;
- берілген морфоқұрылымы бар материалдарды алу мүмкіндігі;
- синтездің әртүрлі сатыларында қоспаларды енгізу мүмкіндігі;
- кристаллит мөлшерін дәл бақылау мүмкіндігі;
- нанобөлшектердің мөлшері бойынша біркелкі таралуы;
- аралас компоненттердің гомогендігінің жоғары дәрежесі.

Көптеген артықшылықтарға қарамастан, химиялық тұндыру әдісі айтарлықтай
кемшіліктерге ие:
- әрбір компоненттің гидроксидтерінің сандық қосылуының РН-ның тар
диапазоны;
- наноұнтақтар агломерациясының жоғары дәрежесі

Бірінші кемшіліті мырыш гидроксиді (II) мен қалайы гидроксиді (II)
тұндыру мысалында қарастырамыз. Zn(OH)2 тұндыру үшін Zn(NO3)2 мырыш
нитратының ерітіндісіне күшті негіз ерітіндісі қосылады, мысалы
келісімшарт.
Бұл жағдайда ерітіндінің рН көбейе бастайды және рН ≈ 10 жеткенде, мырыш
нитратының барлығы дерлік Zn(NO3)2 + 2KOH → zn(OH)2↓ +2KNO3 схемасы бойынша
негізге жауап береді. Ақ желатинді мырыш гидроксиді (II) тұнбаға түседі.
Сілтілік ерітінді одан әрі қосылған кезде пайда болған гидроксиді Zn(OH)2 +
2KOH → K2[Zn(OH)4] схемасы бойынша ериді.
Алынған күрделі қосылыс K2 [Zn(OH)4] (калий тетрагидроксоцин) суда және
спирттерде ериді. РН ≈ 13 жеткенде мырыш гидроксиді гелінің іздері
анықталмайды

Химиялық тұндыру әдісімен наноұнтақтарды алу процесінің негізгі
параметрлері:
- ортаның рН;
- тұндыру температурасы;
- бастапқы ерітінділердің құрамы мен концентрациясы;
- алынған тұнбаны температуралық өңдеу.

2.3. Анниоды адсорбция әдісімен наноұнтақтардың бетін металл
катализаторамиямен түрлендіру

Анионды адсорбция әдісінің мақсаты-наноұнтақтардың бетін металл
катализаторлармен модификациялау негіздерін зерттеу, асыл металдармен
модификацияланған металл оксидті жартылай өткізгіштердің наноұнтақтарын
жасау дағдыларын алу.

Наноұнтақтарды металл катализаторлармен түрлендірудің теориялық негіздері

Наноұнтақтарды алу-нанотехнологияның маңызды бағыттарының бірі.
Нанодисперс күйіндегі заттардың іргелі қасиеттерінің өзгеруі олардың
негізінде жаңа материалдар мен технологияларды, сондай-ақ түбегейлі жаңа
құрылғылар мен құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді. Анионды адсорбция
әдісі нано - және микроэлектрондық Индустрия аспаптарын дайындау үшін
әртүрлі құрамдағы түрлендірілген наноұнтақтарды алуға мүмкіндік береді.
Мысалы, SiO2 наноұнтағы оптоэлектроникада, Al2O3 және Cr2o3 наноұнтақтары
фосфор ретінде және т. б. қолданылады. Металл оксидтерінің наноұнтақтарының
негізінде газ сенсорлары үшін қалың пленкалы сезімтал элементтер жасалады.
Оларға қойылатын негізгі талаптар-газдарды танудың жоғары селективтілігі,
жоғары сезімталдық, сондай-ақ шағын өлшемдер мен энергияны аз тұтыну.
Наноұнтақтардың бетіндегі каталитикалық қоспалар сенсордың бірқатар
газаналитіне қатысты селективті қасиеттерін айтарлықтай өзгерте алады, оны
екі түрлі механизммен түсіндіруге болады – спилловер эффектісі және
жартылай өткізгіш адсорбенттің Ферми деңгейінің өзгеруімен байланысты әсер.
Спилловер әсерінің мәнін қарастырыңыз . Жартылай өткізгіш оксидтің беті
металл катализаторлармен – Au, Pt, Pd және басқа асыл металдармен
өзгертіледі. Бұл металдардың кластерлерінің бетінде молекулалық газдардың
диссоциативті адсорбциясы жүреді, мысалы O2, H2 және т. б. Оттегі үшін бұл
процесті схемамен оңай ұсынуға болады: О2(газ) → 2О(адс).
Адатомдар үлкен химиялық белсенділікке ие, сонымен қатар зарядталған
пішінді қабылдай алады. Катализатор кластерінің бетімен қозғала отырып,
олар оксидтің жартылай өткізгіш наноұнтағының бетіне түседі. Олардың
кейінгі химосорбциясы, сондай-ақ басқа химосорбцияланған бөлшектермен
реакцияларға қатысуы жартылай өткізгіштің электр кедергісінің газ-аналиттің
молекулалық формасымен әрекеттесуімен айтарлықтай өзгеруіне әкеледі.
Наноұнтақтарға негізделген сенсорлардың селективтілігін өзгертудің екінші
механизмі (сурет.2.5, б) "катализатор –жартылай өткізгіш оксид"Шотки
түйіспесінің астында орналасқан кеңістіктік заряд аймағының
сипаттамаларының адсорбциялық өзгерістерімен байланысты. Адсорбцияға
байланысты металл кластерлерінің электронды жүйесіндегі өзгеріс Шотки
тосқауылының сипаттамаларының өзгеруіне әкеледі, бұл сайып келгенде заряд
тасымалдаушыларының концентрациясына әсер етеді.

2.4. PEDOTPSS өткізгіш полимер кешені және бейорганикалық
нанобөлшектер негізінде композиттік пленкаларды қалыптастыру және олардың
электрофизикалық қасиеттерін зерттеу

Мақсаты-икемді органикалық электроника технологиясының негіздерін зерттеу
және бейорганикалық нанобөлшектерді енгізудің полимер матрицасының
қасиеттеріне әсерін анықтау үшін PEDOTPSS өткізгіш ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.