Введение к работе
Актуальность работы. Наноструктурные материалы, в состав которых входят частицы вещества размером менее 100 нм, в силу уникальности механических, оптических, электронных и магнитных свойств являются одной из основ для создания новейших технологий XXI века Они находят широкое применение во многих областях науки и техники, таких как создание новых материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами для различных сфер человеческой деятельности (от авиации и космонавтики до'1'бытовых устройств) и разработки новых электронных приборов SiC в форме нитевидных кристаллов (НК) является одним из интересных объектов подобного рода Их высокая химическая стойкость, полупроводниковые свойства, сочетаются с прекрасными механическими свойствами, обусловленными нитевидной формой кристаллов.
Для развития технологий с использованием НК SjC необходимо решение проблемы управляемого синтеза материалов с определенными свойствами Наиболее перспективным с точки зрения управляемости процесса является каталитический способ получения НК SiC путем разложения различных Si- и С-содержащих соединений в присутствии металлов подгруппы Fe Для получения НК SiC с участием известных катализаторов требуются высокие температуры, в силу этого актуальна разработка низкотемпературных катализаторов для данного процесса Создание подобных каталитических систем может иметь принципиальное значение для реализации крупномасштабного синтеза НК SjC и их использования в высокотехнологичных областях, требующих сверхстойких материалов
Цель работы. Исследование закономерностей каталитического синтеза НК SiC на металлах подгруппы железа и разработка низкотемпературных катализаторов для данного процесса
Научная новизна.
Проведено термодинамическое описание стадии зародышеобразования SiC на поверхности металла Получено уравнение, связывающее размер кригаческого зародыша SiC на поверхности металла с реакционными параметрами, такими как температура, степень пересыщения металла углеродом и кремнием, работа адгезии металла к карбиду кремния и др Проведено сравнение полученных расчетных данных с наблюдаемыми экспериментально, при этом обнаружено хорошее их совпадение
На основании анализа фазовых диаграмм многокомпонентных систем сформулированы основные требования к катализаторам синтеза НК SiC, в частности, показано, что добавление Мп к металлам подгруппы железа приводит к понижению температуры плавление катализатора Установлено, что использование биметаллических катализаторов позволяет осуществлять синтез НК SiC при температурах 1000-1100 С, те на 200-300 С ниже по
^
сравнению с традиционными монометаллическими катализаторами Проведено исследование влияния на процесс роста НК SiC реакционных параметров, таких как температура, дисперсность активного компонента в катализаторе, тип источника кремния и углерода в газовой фазе Исследованы электронные автоэмиссионные свойства массивов НК SiC, синтезированных на поверхности кремниевых пластин
Практическая ценность. Предложены составы низкотемпературных катализаторов синтеза НК SiC, которые могут быть использованы для реализации масштабного производства данных материалов Показана перспективность использования массивов НК SiC в качестве холодных эмиттеров электронов
Основные положения, выносимые на защиту.
Термодинамическое описание стадии зародышеобразования отложений SiC на поверхности металлических частиц и определение оптимальных параметров синтеза НК SiC
Целенаправленный подбор активных низкотемпературных катализаторов синтеза НК SiC посредством анализа многокомпонентных фазовых диаграмм на основе металлов подгруппы железа с целью ,
С использованием полученных катализаторов исследован процесс роста нитевидных кристаллов SiC, показано, что биметаллические катализаторы активны в процессе синтеза НК SiC при температурах на 200-300 С ниже по сравнению с традиционными монометаллическими катализаторами
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на симпозиумах Общества Материаловедения (MRS) (Бостон, Сан-Франциско, США, 2004, 2006, Страсбург, Франция, 2004), 2-й конференции Азиатского консорциума теоретического материаловедения (Новосибирск, Россия, 2004), 10-м симпозиуме Азиатско-Тихоокеанской академии материаловедения (Новосибирск, Россия, 2003), 1-й всероссийской школе-конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, Россия, 2005), 15-й международной конференции по химической термодинамике (Москва, Россия, 2005), 2-й Международная школе-конференции молодых ученых по катализу «Каталитический дизайн - от исследований на молекулярном уровне к практической реализации» (Новосибирск-Алтай, Россия, 2005), международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия ианоматериалов» (Томск, Россия, 2005), 11-м международном конгрессе по керамическим материалам (Ачиреаяе, Италия, 2006), 4-й школе по катализу EFCATS (Санкт-Петербург, Россия, 2006), Всероссийской конференции лауреатов фонда им К И Замараева (Новосибирск, Россия, 2007), ежегодном конкурсе молодежных проектов Института катализа СО РАН (III премия, 2005)
-.4-
Основные результаты работы изложены в 3-х статьях в реферируемых журналах, а также в виде тезисов 12 российских и международных конференций
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводом и списка литературы Работа изложена на 153 страницах, содержит 53 рисунка и 9 таблиц Библиография насчитывает 156 наименований
