Введение к работе
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 нанотехнологии 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 функционал изации.
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 (02, N2, СО 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 "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований", утвержденных президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированного
состояния вещества"). 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 30-120 нм.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Изучить структуру углеродных материалов.
2.Исследовать температурные зависимости электрической проводимости структур, полученных компактированием углеродных материалов.
3. Разработать и создать установку для исследования термоэлектрических свойств компактированных углеродных наноструктур.
4.Исследовать термоэлектрические свойства структур, полученных компактированием углеродных материалов.
5.Исследовать магнитогальванические явления в
ском тактированных углеродных материалах.
Научная новизна работы.
1. В структурах, полученных компактированием материалов из углеродных частиц размером 30-120нм при стандартных фгоических условиях, реализуется прыжковый механизм электропроводности с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми. При температурах, превышающих 330 К в случае нановолокон, 350 К для микрочастиц углерода в аморфном состоянии и 320 К в случае наночастиц углерода в аморфном состоянии электрическая проводимость осуществляется прыжками по ближайшим локализованным состояниям.
-
Коэффициент Зеебека S исследуемых образцов пропорционален Т|/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 23 нм в случае наночастиц углерода в аморфном состоянии.
Практическая значимость работы.
Структуры, полученные компактированием материалов из углеродных частиц размером 30-120нм 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 її результаты, выносимые на защиту.
-
Электронные явления в структурах, полученных компактированием углеродных частиц размером 30-120 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 330 К для образцов из углеродных нановолокон, при 350 К для образцов из микрочастиц углерода в аморфном состоянии и при 320 К 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 термоэде от -2,5 мкВ/К для монокристаллического графита до -16,8 мкВ/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.
Личный 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 границах, содержит 53 рисунка и 2 таблицы.
