Введение к работе
Актуальность темы. Субмикронные и нанокристаллические металлические и оксидные материалы в настоящее время широко применяются в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в современных микроэлектронных устройствах (технологической основой современной твердотельной электроники являются планарные (2D) технологии), деталях авиакосмической техники, в качестве твердых износостойких покрытий обрабатывающей промышленности. Тонкие пленки металлов, оксидов металлов и многослойные пленочные гетеросистемы находят широкое применение в технологии интегральных схем, служат основными элементами в устройствах для преобразования солнечной энергии в электрическую. Наноразмерные покрытия используют для увеличения прочностных характеристик конструкционных материалов, для повышения износостойкости узлов деталей машин. Покрытия из индия применяют для изготовления рефлекторов и зеркал, квантовых генераторов, солнечных батарей и жидкокристаллических экранов, транзисторов, электродов фото-проводящих элементов, инфракрасных детекторов, специальных стекол. Устройства на основе оксида молибдена (VI) могут быть рекомендованы к использованию в качестве электрохромных и фотохромных дисплеев, электрохромных зеркал или светоперераспределяющих фильтров, сенсоров для контроля содержания газов в атмосфере.
Нанометровые пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений относят к виду консолидированных наноматериалов. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют отличные от массивного новые физико-механические свойства. Как следствие, важным направлением становится разработка и изучение наноразмерных слоев, исследование их свойств в различных условиях.
Развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к конструкционным материалам. От них требуется длительная и надежная работа в условиях высоких температур и давлений, агрессивных сред, высоких динамических и статических нагрузок. Наиболее широко используемыми материалами в различных сочетаниях таких экстремальных условий являются металлы и сплавы. В связи с этим особое значение приобретают всесторонние исследования химической устойчивости металлов в условиях окружающей среды, причем они должны быть непосредственно связаны с изучением различных характеристик продуктов окисления, образующихся на поверхности металлов.
Изучение закономерностей термо- и фотостимулированных процессов, протекающих в наноразмерных слоях In, М0О3, In - М0О3 и на их поверхности, представляется необходимым как для решения группы научных задач, в частности, выяснения степени общности процессов, протекающих на границе между металлом, оксидом и окружающей атмосферой, так и в связи с необходимостью разработки новых материалов для полупроводниковой электроники, стабильных в условиях коррозионного воздействия окружающей среды.
Отмеченная практическая ценность, а также отсутствие к настоящему времени в отечественной и зарубежной литературе информации о систематиче-
ских исследованиях влияния размерных эффектов на оптические свойства систем на основе индия и оксида молибдена (VI) ставят правомерной и своевременной задачу комплексного исследования индивидуальных слоев индия, оксида молибдена (VI) и двухслойных систем In - М0О3.
Работа выполнена в соответствии с Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (Мероприятие 1. «Проведение фундаментальных исследований в рамках тематических планов») по темам «Исследование физико-химических процессов в наноразмерных слоях WO3 и МоОз» и «Изучение механизма коррозии в наноразмерных пленках металлов при тепловом и световом воздействии» (код НИР 31.15.29), а также поддержана грантом Фонда содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках проекта «Разработка наноразмерных отражающих покрытий на основе металлов и оксидов металлов, устойчивых к термическому и световому воздействию».
Целью работы является исследование закономерностей термо- и фото-стимулированных процессов, протекающих в условиях атмосферы в наноразмерных пленках индия, оксида молибдена (VI) различной толщины и в системах на их основе.
В задачи работы входило:
-
Методом оптической спектроскопии установить основные закономерности влияния толщины, температуры и времени термической обработки на оптические свойства (поглощение, отражение) наноразмерных пленок индия (Х = 190- 1100 нм.
-
Методом оптической спектроскопии установить основные закономерности влияния интенсивности света и времени облучения на оптические свойства (отражение, поглощение) наноразмерных пленок индия
і ґ 9 1
(X, = 360 нм / = (1,12-7)-10 квант-см" -с" ) и оксида молибдена (VI) (А. = 320 нм,
if 9 1
I— (1,12-7)-10 квант-см" -с" ) в диапазоне длин волн X — 190 - 1100 нм.
-
Исследовать кинетические закономерности процессов термо- и фото-стимулированного изменения оптической плотности наноразмерных пленок индия и оксида молибдена (VI) различной толщины.
-
Установить кинетические закономерности изменения оптической плотности наноразмерных пленок МоОз в системе In - М0О3 в процессе тепловой обработки (Т=473-873 К).
5. Определить значения термоэлектронных работ выхода до и после
предварительного прогрева (Т = 550 К) наноразмерных пленок индия, оксида
индия (III) и оксида молибдена (VI) при различных внешних условиях
(Р= 1-Ю5, 1-Ю"5 Па; Т = 293 К).
6. Установить качественный состав конечного продукта, сформированно
го в процессе термической обработки (Т = 473-873 К) и светового облучения
і ґ 9 1
(А. = 360нм, /=(1,12-7)-10 квант-см"-с" ) наноразмерных пленок индия различной толщины {d— 2-150 нм).
Научная новизна работы:
1. Впервые проведены систематические исследования влияния термиче
ской обработки (Т = 473-873 К) и светового облучения
if 9 1
(I— (1,12-7)-10 квант-см" -с" ) на оптические свойства (поглощение, отражение) наноразмерных пленок индия, оксида молибдена (VI) разной толщины в атмосферных условиях, а также изучены кинетические особенности термо-и фото-стимулированных превращений пленок индия и оксида молибдена (VI) в диапазоне X, = 190-1100 нм.
-
Впервые проведены систематические исследования зависимости влияния термической обработки на оптические свойства (спектры поглощения и отражения) наноразмерных систем In - М0О3 (с разным соотношением толщины слоев) и кинетических особенностей их термопревращений при различных температурах Т = 473-873 К в диапазоне X = 190-1100 нм.
-
Определены значения контактных потенциалов (относительно платинового электрода сравнения) наноразмерных пленок индия, оксида индия (III).
-
Установлено, что посредством варьирования толщины подслоев и времени термообработки двухслойных систем In - М0О3 отражательная способность стеклянной подложки уменьшается практически до нулевого значения при определенных длинах волн в диапазоне X = 200-850 нм.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут служить основой для создания новых тонкослойных регистрирующих сред, индикаторов, термо- и светоотражающих и поглощающих покрытий, датчиков, тер-мохромных материалов, а так же позволят прогнозировать и направленно изменять поведение наноразмерных пленок индия и оксида молибдена (VI) за счет образования двухслойных объектов на их основе. Планируется разработка наноразмерных теплоотражающих и рефлекторных покрытий на основе исследуемых объектов, устойчивых к термическому и световому воздействию.
Положения, выносимые на защиту:
1. Вывод об основном продукте термо- (Т=473-873 К) и фотостимулиро-
і ґ 9 1
ванных (А.= 360нм, /=(1,12-7)-10 квант-см"-с" ) превращений наноразмерных пленок индия в атмосферных условиях, которым является оксид индия (III).
-
Установлена возможность управления оптическими свойствами (поглощение, отражение) стеклянных подложек путем нанесения наноразмерных пленок МоОз, In различной толщины, систем In - М0О3, термической обработкой и облучением образцов.
-
Выявлены основные факторы, влияющие на оптические свойства (поглощение, отражение) гетеросистем In - М0О3: толщина пленок индия и оксида молибдена (VI), время и температура термической обработки.
-
Выводы о подчиненности разных участков кинетических кривых степени термо- (Т=473-873 К) и фотостимулированного (А.= 360нм, /=(1,12-
і ґ 9 1
7)-10 квант-см" -с" ) окисления наноразмерных пленок индия различным зависимостям: линейной, обратной логарифмической, параболической и логарифмической.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в сборниках докладов, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VI (XXXVIII), VII (XXXIX) и VIII (XL) Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновации - вклад молодых исследователей», Кемерово, 2011, 2012, 2013; V, VI и VII Всероссийская конференция «Исследования и достижения в области теоретической и прикладной химии», Барнаул, 2010, 2011, 2013; XV и XVI Всероссийская научно-практическая конференция «Научное творчество молодежи», г. Анжеро-Судженск, 2011, 2012; III (XXXV), I и II Международная Казахстанско-Российская конференция по химии и химической технологии, Казахстан, г. Караганда, 2011, 2012; XVIII и IX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов», Москва, 2011, 2012; III Всероссийская молодёжная конференция с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Москва, 2012; IV Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», Суздаль, 2012 г; V Школа - семинар сети центров коллективного пользования научным оборудованием «Исследование и метрология функциональных материалов», Томск, 2012; Всероссийская конференция «Химия и химическая технология: достижения и перспективы», Кемерово, 2012.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 11 статьях в рецензируемых научных журналах из списка ВАК и 32 публикациях в сборниках тезисов докладов и трудов международных и российских конференций. Полный список публикаций по теме диссертации включает 43 наименования и включен в список литературы диссертации; основные из них приведены в конце автореферата.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в защищаемых положениях и выводах, получены лично автором. В основу диссертации легли результаты исследований, проведенные автором в период 2010 - 2013 годов на кафедре неорганической химии КемГУ. Идея исследования, постановка задач, анализ результатов обсуждались совместно с научным руководителем.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём работы составляет 155 страниц, включая 107 рисунков и 10 таблиц. Библиография содержит 128 наименований.
