Введение к работе
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению электрических и термоэлектрических свойств новых нанокомпозиционных материалов, полученных диспергированием металлов (свинец), полуметаллов (висмут) и полупроводников (теллур, антимонид индия) в системе полостей и каналов регулярных пористых диэлектрических матриц опалов и цеолитов, а также изучению физических свойств исходных матриц.
Актуальность проблемы. Одна из самых актуальных современных научных проблем, лежащая на стыке материаловедения, физики и химии твердого тела - это проблема изучения нанокристаллического состояния вещества. Современная физика конденсированного состояния уделяет пристальное внимание созданию и исследованию новых материалов с запрограммированными необычными свойствами и совершенствованию методик их измерения.
Один из путей решения этой задачи заключается в использовании наноструктур - ансамблей малых частиц (кластеров) размерами порядка 1-100 нм. Особые физические свойства подобных нанокластеров, отсутствующие в «массивных» телах, представляют как научный, так и прикладной интерес.
Среди разнообразных методов получения ультрадисперсных сред уникальными возможностями обладает предложенный еще в 70-е годы в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе профессором В.Н. Богомоловым метод диспергирования веществ в системе полостей и каналов, регулярно расположенных в структуре пористых диэлектрических матриц цеолитов и опалов. Этот метод позволяет получать ансамбли идентичных, кристаллографически упорядоченно расположенных в пространстве наночастиц (кластеров) с высокой концентрацией (до 5 х 1020 см"3) и ультрамалыми размерами (до 1 нм), устойчивых в широком диапазоне внешних условий.
Упорядоченное расположение каналов и полостей в регулярных пористых матрицах цеолитов и опалов придает полученным ансамблям в физике наноструктур роль, подобную идеальным кристаллам в физике твердого тела. Вместе с тем необходимо отметить отрывочность имеющихся данных о наноструктурах, что обусловлено ограниченными возможностями технологии получения и экспериментальных методов исследования матричных наноком-позитов, необходимых для установления физических свойств матрицы-«хозяина» и наночастиц вещества-«гостя». Так, например, малые размеры используемых в качестве матриц нанокомпозитов монокристаллов цеолитов (обычно не превышающие нескольких десятков микрон) создают большие экспериментальные трудности при исследовании их свойств, изученных, как правило, либо с использованием природных минералов, либо - поликристаллических образцов. Существующие при этом структурные неоднородности образцов, границы раздела между зёрнами поликристалла сильно осложняют интерпретацию имеющихся экспериментальных результатов. Аналогичные проблемы имеют место и для опалов. Недостаточность экспериментального материала затрудняет развитие модельных представлений физики композитных наноструктурированных неорганических веществ.
В настоящей работе объектами исследования служили новые наноком-позиционные материалы o-InSb, о-Те, o-Bi, о-Pb, полученные при диспергировании в матрице благородного опала хорошо изученных в «массивном» состоянии антимонида индия, теллура, висмута и свинца, а также сами исходные диэлектрические матрицы опала и синтетического цеолита типа NaX.
Целью данной работы являлось установление закономерностей электрических и термоэлектрических явлений в нанокомпозиционных материалах на основе регулярных пористых матриц опалов и цеолитов, содержащих ультрадисперсные частицы свинца, висмута, теллура и антимонида индия в полостях и каналах.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Создание новой экспериментальной методики измерения термо-э.д.с. на образцах малых размеров порядка десятков - сотен микрон.
Сравнение величин коэффициентов Зеебека нанокомпозитов на основе опаловых матриц с величинами коэффициентов Зеебека соответствующих массивных материалов.
Изучение особенностей температурных зависимостей проводимости новых нанокомпозиционных материалов на основе опаловых матриц.
Построение модели, позволяющей объяснить температурные зависимости проводимости новых нанокомпозиционных материалов.
Исследование особенностей электропроводности микроскопических монокристаллов цеолитов типа X в натриевой форме.
Проверка применимости универсального закона подобия к монокристаллам гидратированных цеолитов типа X.
Достоверность и научная обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивались комплексным характером исследования, корректностью использованных экспериментальных методик и воспроизводимостью результатов измерений, применением современных методов математической обработки экспериментальных данных на ЭВМ, сопоставлением с литературными данными по проблеме исследования, опорой на современные физические модельные представления.
Научная новизна работы заключается в следующем.
В отличие от большинства предшествующих исследований пористых матриц цеолитов, проведенных на природных минералах или поликристаллических образцах, в настоящей работе исследованы микроскопические синтетические монокристаллы цеолита типа X в натриевой форме и получены новые данные об особенностях их электропроводности.
Автором работы впервые экспериментально изучен ряд качественно различных по природе и электронным свойствам наноструктурированных веществ (o-InSb, о-Те, o-Bi, о-РЬ).
В результате проведенных в работе экспериментальных исследований физических явлений в регулярных матричных композитах, полученных диспергированием полупроводников, металлов и полуметаллов в каналах и полостях диэлектрической опаловой матрицы, установлена размерная зависи-
мость удельной термо-э.д.с. в нанокомпозиционных материалах на основе опалов; изучены и интерпретированы особенности температурных зависимостей их удельной проводимости в интервале 300 - 800 К; развиты модельные представления о механизмах обнаруженных физических явлений.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработанный в диссертационном исследовании новый метод импульсного измерения термо-э.д.с. микрообразцов позволяет установить термоэлектрические свойства нанокомпозиционных материалов на основе опалов и цеолитов.
Новые нанокомпозиционные материалы о-Ві и о-Pb на основе опаловых матриц обладают удельной термо-э.д.с, превышающей в 1,5 - 2,3 раза соответствующие значения для «массивных» висмута и свинца.
Вольт-амперная характеристика гидратированных монокристаллов цеолита NaX в диапазоне значений напряженности электрического поля 104-107 В/м при температуре Т=300 К имеет степенной характер (показатель степени равен 1,55) и согласуется с универсальным законом подобия, справедливым для токов, ограниченных объемным зарядом, в твердых телах.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты предоставляют экспериментальный материал для теоретического обобщения физических свойств наноструктурированных веществ (металлов, полуметаллов, полупроводников). Установленные закономерности электрических и термоэлектрических явлений в наноструктурированных веществах вносят вклад в теоретические основы микроэлектроники.
Практическая ценность работы. Разработана новая импульсная методика измерения термо-э.д.с, применимая к исследованию как микрокристаллов цеолитов и опалов с изученными в работе веществами - наполнителями, так и микрообразцов нанокомпозиционных материалов других типов.
Полученные в диссертации экспериментальные результаты открывают новые практические возможности создания наноструктур с программируемыми свойствами, предназначенных для использования в микроэлектронике.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов - 96", "Ломоносов - 99" и "Ломоносов - 2000: молодежь и наука на рубеже XXI века" (Москва, 1996, 1999, 2000 гг.), на IX Международной конференции «Физика диэлектриков (ICD-2000)» (С.-Петербург, 2000 г.), на IV Международной теплофизической школе (МТФШ-4) «Теплофизи-ческие измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001 г.), на I Всероссийской научно-методической конференции «Современная электроника и информационные технологии в системе образования различных уровней» (Филиал СПбГИЭУ, Псков, 2005 г.), на IX Международной конференции «Опто-, на-ноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2007 г.), на научных конференциях Псковского государственного педагогического университета (Псков, 1996, 1998,2000,2002 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 20 печатных работах, из которых 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, двух приложений, заключения и списка цитируемой литературы из 118 наименований. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 45 рисунков.
