Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
УСКОВ Артём Васильевич
Электрофизические свойства компактированных нано- и микродисперсных углеродных материалов
Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Воронеж - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет
Научный руководитель Голев Игорь Михайлович, доктор физико- математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет, профессор
Официальные оппоненты: Санин Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГК ВОУ ВПУ Военный учебно-научный центр Военно-воздушныхасилаВоенно- воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина
Соловьёв Александр Семёнович,
кандидат физико-математических наук,
доцент, ФГБОУ ВПО Институт ГПС МЧС России
Ведущая организация ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет инженерных технологий
Защита состоится 18 сентябряа2012аг. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Да212.037.06. ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет по адресу: 394026, г.аВоронеж, Московский просп.,а14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет.
Автореферат разослан 12 июня 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета ГорловаМ.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Нанотехнология стала главным и многообещающим направлением, которое определяет научные и практические интересы мирового сообщества. В настоящее время одной из наиболее важных и интересных как в теоретическом, так и практическом плане является область нанотехнологии, связанная с получением и исследованием физических свойств наноразмерных углеродных материалов. Подобный интерес обусловлен большой перспективой их применения в качестве функциональных элементов электронной техники, компонентов при создании композиционных материалов. На современном этапе развития нанотехнологий в основном изучаются нанотрубки, фуллерены, нановолокна, наноалмазы и графены, имеющие размеры менее 5-20 нм. Такие объекты обладают тонкой электронной структурой, которую можно изменять, регулируя условия синтеза, применяя различные методы функционализации.
Нанообъекты больших размеров также обладают интересными свойствами. Для них характерно, что значительное число атомов углерода расположено на поверхности и на краях, т.е. имеют свободные связи, что делает их более реакционноспособными, и способствует активной адсорбции и абсорбции газовых молекул (O2, N2, CO и т.д.). Свойства таких нанодисперсных углеродных материалов существенно отличаются от свойств замкнутых и закрытых систем, какими являются фуллерены и нанотрубки. Они рассматриваются чаще всего как компоненты различных конструкционных материалов, и в основном исследуются лишь их механические и теплофизические свойства.
Вместе с тем, в связи с расширением области применения конструкционных композиционных материалов к ним предъявляются новые требования по электрофизическим и оптическим свойствам.
В связи с вышесказанным для углеродных материалов с размером частиц 30-100 нм интересным является изучение их электрических и термоэлектрических свойств. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных исследований углеродных наноматериалов, известно немного работ по изучению их свойств.
В предлагаемой работе исследуются структуры, полученные компактированием нано- и микродисперсных углеродных материалов. В этом случае интересной для исследования представляется возможность изменять электрофизические свойства образцов, варьируя размер и меняя структуру углеродных частиц, из которых они созданы.
Тематика данной диссертации соответствует УПеречню приоритетных направлений фундаментальных исследованийФ, утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 - УФизика конденсированного состояния веществаФ). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела по плану госбюджетной темы НИР № ГБ 2007.23 - Синтез, структура и физические свойства новых конструкционных и функциональных материалов в ФГБОУ ВПО Воронежский государственный технический университет.
Целью работы является изучение механизмов электронных явлений в структурах, полученных компактированием материалов из углеродных частиц размером 30аЦа120анм.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
- Изучить структуру углеродных материалов.
- Исследовать температурные зависимости электрической проводимости структур, полученных компактированием углеродных материалов.
- Разработать и создать установку для исследования термоэлектрических свойств компактированных углеродных наноструктур.
- Исследовать термоэлектрические свойства структур, полученных компактированием углеродных материалов.
- Исследовать магнитогальванические явления в скомпактированных углеродных материалах.
Научная новизна работы.
- В структурах, полученных компактированием материалов из углеродных частиц размером 30аЦа120анм при стандартных физических условиях, реализуется прыжковый механизм электропроводности с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми. При температурах, превышающих 330аК в случае нановолокон, 350аК для микрочастиц углерода в аморфном состоянии и 320аК в случае наночастиц углерода в аморфном состоянии электрическая проводимость осуществляется прыжками по ближайшим локализованным состояниям.
- Коэффициент Зеебека S исследуемых образцов пропорционален T1/2 в области температур, где доминирует прыжковый механизм электропроводности с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми.
- По экспериментальным результатам исследований влияния магнитного поля на электрическое сопротивление образцов вычислен радиус локализации волновой функции электрона в изучаемых материалах, который составил 6,2 нм для микрочастиц углерода в аморфном состоянии, 7,9 нм для углеродных нановолокон и 23анм в случае наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Практическая значимость работы.
Структуры, полученные компактированием материалов из углеродных частиц размером 30аЦа120анм могут быть использованы как матрицы для создания композиционных углеродных материалов.
Исследуемые нано- и микродисперсные углеродные материалы могут служить в качестве наполнителей для создания проводящих композиционных материалов.
Фрактальные структуры из углеродных нановолокон в поливиниловом спирте, являющиеся проводящей перколяционной сеткой из нановолокон, потенциально могут быть применены в качестве фрактальных антенн.
Структуры, полученные компактированием из деструктированного графита, можно использовать в качестве датчиков магнитного поля.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
- Электронные явления в структурах, полученных компактированием углеродных частиц размером 30а-а120 нм, в основном определяются электрофизическими свойствам контактов.
- В структурах, полученных компактированием микрочастиц углерода в аморфном состоянии, нановолокон, наночастиц углерода в аморфном состоянии и деструктированного графита происходит смена механизма электрической проводимости при 330аК для образцов из углеродных нановолокон, при 350аК для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии и при 320аК в случае образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии. При меньших температурах доминирует прыжковый механизм электропроводности с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми, а при более высоких температурах доминирует прыжковая проводимость по ближайшим локализованным состояниям.
- Для исследуемых образцов рассчитаны энергия активации прыжка, радиус локализации волновой функции электрона, длина прыжка носителей заряда, плотность электронных состояний вблизи уровня Ферми.
- Перевод графита в наноструктурное состояние приводит к увеличению значений термоэдс от -2,5амкВ/К для монокристаллического графита до -16,8амкВ/К для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: Международной научной конференции Химия твёрдого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии (Кисловодск, 2009); I Всероссийской конференция с элементами научной школы для молодёжи Функциональные наноматериалы для космической техники (Москва, 2009); VII Международной научно-практической конференции Научный прогресс на рубеже тысячелетий (Прага, 2011); Международном научном семинаре Синтез, свойства и применение графенов и слоистых наносистем (Астрахань, 2011); Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2008, 2009, 2010).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит приготовление к эксперименту, получение и анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
ичный вклад автора.
Автор являлся фактическим исполнителем всех поставленных задач, участвовал в обсуждении результатов и проводил подготовку научной публикации для печати.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и библиографического списка из 111 наименований. Основная часть работы изложена на 122 страницах, содержит 53 рисунка и 2 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследования, определены объекты исследований, показана научная новизна и прикладная ценность полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объёме диссертации.
Первая глава является обзорной и состоит из четырёх разделов.
В разделе 1.1 рассмотрены методы получения нанографита, его строение, магнитные свойства, особенности электрической проводимости и свойства. В разделе 1.2 описаны структура нановолокон, механизм образования. В разделе 1.3 рассмотрены механизмы электропроводности в неупорядоченных наноструктурах. В разделе 1.4 сделаны выводы, определены цели и задачи диссертации
Свойства и структура нано- и микрочастиц углерода в аморфном состоянии, деструктированного графита, углеродных нановолокон значительно отличаются от структуры и свойств графита - материала, из которого они получены.
Во второй главе изложены вопросы методики и техники проведения эксперимента, приготовления образцов, а также оценка погрешностей измерения. Дано краткое описание установок для измерения проводимости, термоэдс и магнитосопротивления образцов из компактированных деструктированного графита, нановолокон, нано- и микрочастиц углерода в аморфном состоянии. На рис. 1 приведены снимки структуры исследуемых материалов. В установке для измерений термоэдс рассчитан подходящий для используемых объёктов исследования температурный режим. Температурные поля подобраны таким образом, чтобы создать оптимальный градиент температур не перегревая образец.
а б
в г
Рис. 1. Структура исследуемых материалов: (а) - аморфные наночастицы углерода; (б) - аморфные микрочастицы углерода; (в) - деструктированный нанографит; (г) - углеродные нановолокна
В третьей главе представлены результаты измерения плотности, электропроводности, термоэдс и магнитосопротивления структур, полученных компактированием материалов из углеродных частиц размером 30аЦа120анм.
В разделе 3.1 сосредоточено внимание на определении эффективной плотности исследуемых материалов. Определение эффективной плотности осуществлялось при комнатной температуре с помощью пикнометрического метода. Относительная погрешность измерений составляла 13%. В качестве жидкости для экспериментального определения плотности был взят толуол с плотностью 0,867аг/см3, который хорошо смачивает графитоподобные и фуллереновые материалы.
Используемые углеродные материалы в макроскопических количествах представляют собой сыпучий порошок черного цвета с насыпной плотностью 0,4аг/см3 в случае углеродных нановолокон, 0,35аг/см3 для микрочастиц углерода в аморфном состоянии, 0,87аг/см3 для наночастиц углерода в аморфном состоянии и 0,084аг/см3 в случае деструктированного графита.
Таким образом, экспериментально впервые определена эффективная плотность деструктированного графита, углеродных нановолокон, микрочастиц углерода в аморфном состоянии и наночастиц углерода в аморфном состоянии, она составила соответственно 1,75аг/см3, 1,63аг/см3, 1,6аг/см3 и 1,41аг/см3. Меньшие значения плотности по сравнению с графитом обусловлены внутренними каналами, а также пустотами в структуре частиц.
В разделе 3.2 представлены результаты исследования электрической проводимости скомпактированных углеродных нановолокон, деструктированного графита, микрочастиц углерода в аморфном состоянии и наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Рис. 2. Зависимость удельной электрической проводимости от температуры для: 1 - деструктированного графита; 2 - наночастиц углерода в аморфном состоянии; 3 - микрочастиц углерода в аморфном состоянии; 4 - углеродных нановолокон
На рис. 2 представлены температурные зависимости электропроводности исследуемых материалов. Величина удельной электропроводности σ структур, полученных компактированием деструктированного графита, углеродных наночастиц в аморфном состоянии, микрочастиц углерода в аморфном состоянии и углеродных нановолокон при 300аК оказалась равной 2,03⋅103, 1,08⋅103, 0,53⋅103 и 0,42⋅103аСм/м, соответственно.
В разделе 3.3 представлены результаты исследования термоэдс. На рис. 3 приведены результаты измерения термоэдс методом горячего зонда для микрочастиц углерода в аморфном состоянии, углеродных нановолокон, деструктированного графита и наночастиц углерода в аморфном состоянии. Уменьшение удельного сопротивления ведёт к увеличению значения коэффициента Зеебека, за исключением образцов из деструктированного графита.
Как видно, для всех образцов знак термоэдс отрицательный. Ее величина изменялась от -7амкВ/К (при Та=а300аК) для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии, -7,4амкВ/К для образцов из углеродных нановолокон, -11,1амкВ/К для образцов из деструктированного графита до -16,8амкВ/К для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Рис. 3. Температурные зависимости коэффициента Зеебека (S) для микрочастиц углерода в аморфном состоянии (1), углеродных нановолокон (2), деструктированного графита (3) и наночастиц углерода в аморфном состоянии (4)
Отметим, что значения термоэдс для компактированных исследуемых наноуглеродных материалов сравнимы со значениями термоэдс мелкозернистого поликристаллического графита, для которого Sа=а-8амкВ/К.
В разделе 3.4 представлены результаты исследования магнитосопротивления скомпактированных углеродных наночастиц (рис. 4). Необходимо отметить высокие значения магнитосопротивления для образца из деструктированного графита, достигающие 3а% в полях, не превышающих 1аТл, что сопоставимо со значениями, полученными для наногранулированных структур типа CoSiO2. Для монокристаллического графита эффект значительно выше, благодаря практически бездефектной структуре, где рассеяние носителей зарядов происходит преимущественно на блоках мозаики.
Рис. 4. Зависимость относительного удельного сопротивления исследуемых образцов, полученных компактированием из деструктированного графита (1), углеродных наночастиц в аморфном состоянии (2), микрочастиц углерода в аморфном состоянии (3) и нановолокон (4) от магнитного поля
В разделе 3.5.1 представлен анализ результатов измерения удельной электрической проводимости. Для анализа полученных результатов были построены графики зависимости lnа=аf(1/Т) и lnа=аf(1/Т-1/4), представленные на рис. 5 (а) и (б), соответственно.
а б
Рис. 5. Температурная зависимость электрической проводимости σ для образцов, полученных компактированием наночастиц углерода в аморфном состоянии в координатах (а) и (б)
На этих зависимостях наблюдаются заметные изломы, свидетельствующие о смене механизма электрической проводимости. Установлено, что полученная для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии зависимость лучше спрямляется в координатах T-1/4 в интервале температур от 300 до 320аК и в координатах T-1 в интервале от 320 до 400аК.
Температуры, при которых происходит смена механизма электрической проводимости, составляют примерно 330аК для образцов из нановолокон и 350аК для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии.
В области более низких температур электропроводность подчиняется закону lnа=аf(1/Т-1/4). Это является признаком того, что в исследуемых образцах от 300аК до указанных выше значений доминирует прыжковый механизм электрической проводимости с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, которые лежат в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми EF. Для этого вида электрической проводимости справедлив закон Мотта.
Величина энергии активации прыжка была найдена из графика зависимости проводимости от температуры в координатах по формуле и составила 0,122аэВ для образцов из углеродных нановолокон, 0,107аэВ для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии и 0,124аэВ для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Для исследуемых структур определена плотность электронных состояний на уровне Ферми. При Та=а300аK она оказалась равной g(EF)а=а7,2⋅1017аэВ-1⋅см-3 для нановолокон, 1,9⋅1017аэВ-1⋅см-3 для микрочастиц углерода в аморфном состоянии и 9,1⋅1017аэВ-1⋅см-3 для наночастиц углерода в аморфном состоянии. Радиус локализации волновой функции электрона был рассчитан по результатам исследований магнитосопротивления.
В разделе 3.5.2 представлен анализ результатов измерения термоэдс.
Для анализа температурной зависимости термоэдс построены зависимости для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии, микрочастиц углерода в аморфном состоянии и углеродных нановолокон, соответственно. Из них следует, что в области температур, близких к комнатной, реализуется прыжковый механизм проводимости с переменной длиной прыжка. Соответственно, термоэдс имеет корневую температурную зависимость.
Температуры, при которых происходит отклонение от корневой зависимости, составляют 345аК для образцов из нановолокон, 360аК для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии, 335аК в случае образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии. Они несколько отличаются от температур, при которых происходит смена механизма электрической проводимости, что отмечается и в других исследованиях. При повышении температуры характерна линейная асимптотика Sа~аТ, как и в работе, которую можно связать с формулой Мотта для термоэдс:
. (1)
Для образцов из деструктированного графита термоэдс пропорциональна 1/Т во всём температурном участке исследования. Объяснение этих результатов можно связать с тем, что проводимость деструктированного графита во всем диапазоне температур (Т) имеет термоактивационный механизм.
Для остальных исследуемых материалов при температурах, близких к комнатной, доминирует прыжковый механизм электропроводности с переменной длиной прыжка.
В разделе 3.5.3 представлен анализ результатов измерения магнитосопротивления исследуемых образцов, что дает дополнительную информацию о механизме их электрической проводимости. Для деструктированного графита полученная зависимость имеет параболический вид и описывается в виде:
, (2)
где (В)аЦаабсолютное изменение эффективного удельного сопротивления, вызванное магнитным полем B; - подвижность носителей заряда; А - коэффициент, зависящий от механизмов рассеяния носителей заряда.
Это хорошо согласуется с поведением сопротивления в полупроводниках со сферически симметричной зонной структурой, которая подвергается воздействию слабых магнитных полей.
Вид зависимости, приведённый на рис. 6, подтверждает предположение, что в исследуемых материалах, кроме деструктированного графита, в области комнатных температур реализуется прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка.
На рис. 7 видно, что зависимость относительного удельного электросопротивления от магнитного поля спрямляется в координатах , что является признаком термически активированной электропроводности.
Величина радиуса локализации а была вычислена из формулы:
, (3)
где aаЦарадиус локализации, eаЦазаряд электрона,C1аЦабезразмерная постоянная величиной не более 103, РаЦапостоянная Планка. Она составила 6,2анм для микрочастиц углерода в аморфном состоянии, 7,9анм для углеродных нановолокон и 23анм в случае наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Рис. 6. Зависимости сопротивления исследуемых материалов от магнитного поля при комнатной температуре для образцов, полученных компактированием из нановолокон (1), микрочастиц углерода в аморфном состоянии (2), углеродных наночастиц в аморфном состоянии (3) и деструктированного графита (4) от магнитного поля
Рис. 7. Зависимость относительного удельного электросопротивления деструктированного графита от магнитного поля
В разделе 3.6 представлено обсуждение результатов исследований. Показано, что в образцах, полученных компактированием аморфных нано- и микрочастиц углерода, а также углеродных нановолокон доминируют механизмы электрической проводимости: прыжковый по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка и прыжками между ближайшими локализованными состояниями.
Это подтверждается тем, что зависимость ln пропорциональна 1/Т-1/4 в области температур, близких к комнатной, а при более высоких температурах пропорциональна 1/Т; термоэдс имеет корневую зависимость от температуры; функциональная зависимость величины магнитосопротивления имеет вид:
ln[(B)/(0)]а~аB2. (4)
Углеродные частицы, используемые при получении этих образцов, имеют разные размеры и электрофизические свойства. Это обусловлено тем, что они были получены по различным технологиям. Тем не менее, механизм электропроводности у исследуемых образцов одинаков.
Для рассмотрения физических явлений было принято, что нано- и микрочастицы углерода имеют сферическую форму. В этом случае проводимость системы углеродных шариков радиуса Rsphere будет определяться проводимостью самих шариков и проводимостью контактов между ними. Принимая во внимание, что для наночастиц углерода характерно наличие большого числа оборванных связей, можно предположить, что при их контакте происходит восстановление связей углерод-углерод. Длина такой связи в алмазе равна 0,142анм. Структура графита слоистая, а каждый атом образует сильные химические связи с другими атомами, расположенными в плоскости на расстоянии 0,140анм, в то время как сами плоскости находятся друг от друга на существенно большем расстоянииаЦа0,335анм и связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми связями. Механические свойства получаемых образцов свидетельствуют о наличии между сферическими гранулами последнего типа связей. Следовательно, за величину длины контакта между гранулами можно принять значение lkа=а0,34анм. Очевидно, что в создании контактов участвуют случайные оборванные связи. Тогда можно предположить наличие в области контакта высокой концентрации дефектов. Диаметр контакта d при этом будет равен . Для lkа=а0,34анм и Rа=а50анм, значение dа=а11,6анм.
Так как размеры области контакта существенно меньше, чем размеры гранул, то очевидно, что электрические свойства компактированных структур будут в основном определяться электрофизическими свойствами контактов.
В случае же использования деструктированного графита, который представляет из себя массу слоёв графена, беспорядочно ориентированных друг относительно друга, контакты между слоями имеют значительно большую площадь. Соответственно, контакт между графеновыми плоскостями имеет меньшую удельную концентрацию дефектов. Как следствие, образцы, полученные компактированием деструктированного графита, имеют характерные для термоактивированной проводимости зависимости электропроводности и термоэдс от температуры, а также соответствующую функциональную зависимость электросопротивления от магнитного поля.
По результатам исследования компактированных углеродных материалов и соответствующих вычислений была составлена таблица.
S, мкВ/К | W, эВ | при 300К, См/м | g, эВ-1⋅см-3 | R, нм | , эВ | |
Аморфные наночастицы | -16,8 | 0,124 | 1,08⋅103 | 9,2⋅1017 | 24 | -81,2 |
Аморфные микрочастицы | -7 | 0,107 | 0,53⋅103 | 1,9⋅1017 | 25 | -16,1 |
Нановолокна | -7,4 | 0,122 | 0,42⋅103 | 7,2⋅1017 | 19 | -21,8 |
Деструктированный графит | -11,1 | Ц | 2,03⋅103 | Ц | Ц | Ц |
Монокр. графит | -2,5 | Ц | 4,03⋅104 | Ц | Ц | Ц |
Таким образом, можно сделать вывод, что прыжковая электрическая проводимость в основном обусловлена электрофизическими свойствами контактов между частицами. Дополнительно об этом свидетельствует то, что электросопротивление образцов сильно зависит от адсорбции газа. При воздействии газов-доноров сопротивление уменьшалось, а газов-акцептороваЦаувеличивалось.
В разделе 3.7 представлены результаты исследования формирования фрактальных структур из наночастиц углерода в аморфном состоянии, углеродных нановолокон (УНВ), деструктированного графита, и микрочастиц углерода в аморфном состоянии в поливиниловом спирте. Обнаружено, что макроскопические фрактальные структуры образовали только углеродные нановолокна. При составе композита 9,7амг УНВ и 1,1аг поливинилового спирта фрактальные агрегаты имеют ветвистую структуру с размером агрегатов 100аЦа300амкм. Фрактальные агрегаты являются плоскими фигурами, т.к. сформированы в слоях ПВС толщиной 25аЦа30амкм. Фрактальная размерность данных образований составляет 1,17 и 1,75.
Для объяснения процессов формирования фрактальных агрегатов из УНВ использованы представлениями кластер-кластерной агрегации на основе модели Сандера-Виттена.
Диссертацию завершает заключение, в котором приведены основные результаты проделанной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Установлено, что исследуемые наночастицы углерода в аморфном состоянии характеризуются ближним порядком расположения атомов, имеют размеры 30Ц50анм, эффективную плотность 1,41аг/см3. Углеродные нановолокна имеют поликристаллическую структуру, диаметр волокон 40Ц110анм, длина 500Ц2000анм, эффективную плотность 1,63аг/см3. Микрочастицы углерода также имеют аморфную структуру, размер частиц 80Ц120анм, эффективную плотность 1,60аг/см3 . Деструктированный графит имеет кристаллическую структуру, представляет собой графитовые слои толщиной 30Ц100анм, его эффективная плотность составляет 1,75аг/см3.
- Разработана и изготовлена установка для исследования термоэлектрических свойств компактированных углеродных материалов. Рассчитаны тепловые потоки в схеме теплопередачи между горячим зондом и холодной подложкой.
- На основе анализа магнитосопротивления, температурных зависимостей электрической проводимости и термоэдс показано, что для исследуемых материалов, полученных компактированием углеродных нановолокон, нано- и микрочастиц углерода доминирует прыжковый механизм электропроводности, что обусловлено электрофизическими свойствами контактов между частицами.
- В структурах, полученных компактированием микрочастиц углерода в аморфном состоянии, углеродных нановолокон, наночастиц углерода в аморфном состоянии происходит смена механизма электрической проводимости: от проводимости по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка к проводимости по ближайшим локализованным состояниям. Для каждого образца установлена температура смены механизма проводимости, она составила 330аК для образцов из нановолокон, 350аК для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии и 320аК в случае образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии.
- На основе теории электропроводности Мотта сделана оценка плотности электронных состояний на уровне Ферми g(EF) и длины прыжка носителей заряда R. Расчёты показали, что плотность электронных состояний g(EF) растёт от 1,9⋅1017аэВ-1⋅см-3 для структур, полученных компактированием микрочастиц углерода в аморфном состоянии, до 9,2⋅1017аэВ-1⋅см-3 в случае структур из наночастиц углерода в аморфном состоянии, а длина прыжка носителей заряда составила 24 и 25анм, соответственно.
- Экспериментально показано, что переход к наноразмерному масштабу структурных составляющих приводит к увеличению значений термоэдс от -2,5амкВ/К для монокристаллического графита до -16,8амкВ/К для образцов из наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1.аУсков А.В. Проводимость и термоэлектрические свойства компактированных нанографитовых материалов / А.В Усков, И.М. Голев, И.В. Золотухин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 11.1. С. 62-65.
2.аГрафены: методы получения и применение. И.В. Золотухин, И.М. Голев, А.В. Нефедов, А.В. Усков // Перспективные материалы. Москва, 2010. № 6. С. 5-11.
3.аСтруктура, морфология и проводимость нанографитов, полученных при распылении графита в электрической дуге / И.В. Золотухин, И.М. Голев, А.В.аНефёдов, А.В. Усков,аС.А. Солдатенко // Нанотехника. М. ЗАО Концерн Наноиндустрия 2009. № 4 (20). С. 21-24.
4.аПолучение наночастиц аморфного углерода плазмохимическим разложением метана / И.В. Золотухин,аВ.И. Пригожин, А.Р. Савич,аМ.Н. Копытин, А.В. Усков // Альтернативная энергетика и экология. Саров: НТ - ТАТА. 2008. № 9. С. 20-22.
5. Золотухин И.В. Формирование фрактальной структуры в композиции поливиниловый спирт (ПВС) - углеродные нановолокна (УНВ) / И.В. Золотухин,аА.В. Усков, С.А. Солдатенко // Нанотехника. М. ЗАО Концерн Наноиндустрия. 2008. №4 (16). С. 24-28.
Статьи и материалы конференций
6.аИзменение электрического сопротивления при абсорбции газовых молекул в аморфных нанографитах / И.В. Золотухин,аИ.М. Голев, А.В. Усков, А.В. Нефёдов, С.А. Солдатенко // Функциональные наноматериалы для космической техники: материалы. Т. докл. I Всерос. конф. с элементами научной школы для молодёжи. М.: ФГУП Центр Келдыша, 2009. С. 301-304.
7.аМеханические характеристики латекса, наполненного графенами / И.В. Золотухин,аИ.М. Голев, А.В. Усков, А.В. Нефёдов, С.А. Солдатенко // Тезисы докладов 49-й Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 12.
8.аМагнитосопротивление нанографитовых структур / И.В. Золотухин,аИ.М. Голев, А.В. Усков, А.В. Нефёдов, М.С. Калиенко // Синтез, свойства и применение графенов и слоистых наносистем. Материалы междунар. науч. семинара. Астрахань. 2011. С. 35-37.
9.аСтруктура, морфология и проводимость нанографитов, полученных при распылении графита в электрической дуге / И.В. Золотухин,аИ.М. Голев, А.В. Усков, А.В. Нефёдов, С.А. Солдатенко // Химия твёрдого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии. Т. докл. 9-й междунар. науч. конф. Кисловодск - Ставрополь: СевКавГТУ, 2009. С. 347-449.
10.аЗолотухин И.В. Формирование фрактальной структуры в композиции поливиниловый спирт (ПВС) - углеродные нановолокна (УНВ) / И.В. Золотухин,аА.В. Усков, С.А. Солдатенко // Тезисы докладов 48-й Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2008. С. 21.
11.аНанографиты: структура, магнитные свойства и применение/ И.В. Золотухин,аИ.М. Голев, А.В. Усков, А.В. Нефёдов // Научный прогресс на рубеже тысячелетий. Материалы 7-й междунар. науч.-практ. конф. Прага, 2011. С. 18-27.
12.аЗолотухин И.В. Магниторезистивный эффект нанографитовых структур / И.В. Золотухин, А.В. Усков, А.В. Нефёдов // Тезисы докладов 50-й Отчётной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 31.
Подписано в печать 05.06.2012
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж экз. Заказ №
ФГБОУ ВПО УВоронежский государственный технический университетФ
394026 Воронеж, Московский просп., 14.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике