Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из самых актуальных современных научных проблем является проблема изучения нанокристаллического состояния вещества. Современная физика конденсированного состояния уделяет пристальное внимание созданию и исследованию новых материалов 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 метод, предложенный еще в 70-е годы XX в. в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе профессором В.Н. Богомоловым, основанный на диспергировании веществ в регулярной системе полостей и каналов молекулярных размеров, существующей в опалах и цеолитах.
В настоящей работе объектом исследования служили образцы нанокомпозиционного материала I/AFI, полученного при диспергировании в матрице цеолитоподобного алюмофосфата типа AFT (AIPO4-5) вещества-«гостя» - йода, а также сами исходные монокристаллы AFI. Матрицы цеолитоподобных алюмофосфатов удобно использовать для получения на их основе композитных материалов, представляющих собой регулярно распределенные в диэлектрической матрице-«хозяине» квазиодномерные атомные цепочки и нити вещества-«гостя», благодаря имеющейся системы структурных каналов диаметром 0,3 - 0,8 нм.
Несмотря на немалое количество работ, посвященных изучению структуры и свойств цеолитоподобных алюмофосфатов и композитов на их основе, эти материалы крайне мало исследованы как объекты физики конденсированного состояния. Электрофизические свойства монокристаллов цеолитоподобных алюмофосфатов также продолжают оставаться малоизученными. Это связано с экспериментальными трудностями, обусловленными малыми размерами используемых в качестве матриц нанокомпозитов монокристаллов. Существуют также затруднения с теоретической интерпретацией физических явлений, происходящих в наноструктурированных композитах. Кроме того, круг исследованных в каждой из предшествующих работ наноструктурированных веществ, как правило, касался изучения лишь оптических свойств цеолитоподобных алюмофосфатов и композитов на их основе.
Целью данной работы являлось установление закономерностей электрических и термоэлектрических явлений в нанокомпозите I/AFI.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Синтез цеолитоподобного алюмофосфата типа AFI и создание нанокомпозита I/AFI, содержащего квазиодномерную структуру йода в структурных каналах с разной плотностью заполнения веществом-«гостем».
Экспериментальное изучение закономерностей электрических явлений в монокристаллах цеолитоподобного алюмофосфата микронных размеров и нанокомпозита I/AFI на его основе, в том числе при фазовом переходе.
Экспериментальное изучение закономерностей термоэлектрических явлений в образцах нанокомпозита I/AFI.
Развитие модельных представлений о механизмах электропроводности нанокомпозита I/AFI.
Основные положения, выносимые на защиту:
Коэффициент Зеебека нанокомпозита I/AFI уменьшается в 1(Г - 1(Г раз и меняет знак по сравнению с коэффициентом Зеебека массивного кристаллического йода.
Электропроводность образцов нанокомпозита I/AFI в диапазоне значений напряженности (10 - 2-10 ) В/м в температурном интервале 290 -400 К обусловлена токами, ограниченными пространственным зарядом.
Нанокомпозиты I/AFI, полученные введением наночастиц йода в
кристаллическую матрицу типа AFI, обладают анизотропией электрических
свойств, что проявляется в различном характере температурных
зависимостей проводимости в двух направлениях - параллельно и
—> перпендикулярно оси с монокристалла.
4. Нанокомпозиты I/AFI при температуре ~ 70 С обнаруживают
фазовый переход в подсистеме наночастиц йода, диспергированного в
каналах цеолитоподобной матрицы AFI, проявляющийся в изменении
характера температурной зависимости электрической проводимости.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем.
В отличие от предшествующих работ по исследованию физических свойств нанокомпозита I/AFI, в которых в основном определялись оптические характеристики, автором с использованием специально разработанных экспериментальных методик впервые получены новые данные об электрических и термоэлектрических явлениях, протекающих в нанокомпозите I/AFI и в диэлектрической пористой матрице цеолитоподобного алюмофосфата типа AFI.
В результате проведенных в работе экспериментальных исследований физических явлений установлен ряд новых закономерностей:
- нелинейность вольт-амперных характеристик образцов нанокомпозита
I/AFI и монокристаллов цеолитоподобного алюмофосфата типа AFI в
широком интервале температур, указывающая на характер
электропроводности, обусловленной токами, ограниченными
пространственным зарядом;
- возрастание удельной проводимости образцов нанокомпозита I/AFI по
сравнению с монокристаллами AFI;
- изменение характера температурной зависимости проводимости в
области фазового перехода нанокомпозита I/AFI;
- изменение знака и величины коэффициента Зеебека йода в структуре
нанокомпозита I/AFI по сравнению с величиной S массивного йода.
Теоретическая значимость работы определяется тем, что развиты модельные представления о механизме электропроводности в нанокомпозитах I/AFI. Предложен механизм возникновения позисторного эффекта в нанокомпозитах I/AFI . Получен обширный экспериментальный материал для теоретического обобщения физических свойств наноструктурированных веществ, включая фазовые переходы. В общем плане полученные в диссертации экспериментальные результаты также представляют интерес для развития модельных представлений о явлениях, протекающих в квазиодномерных наноструктурах.
Практическая значимость работы. Обнаруженный в нанокомпозите I/AFI позисторный эффект, связан с явлением фазового перехода, происходящий в квазиодномерной структуре йодных цепочек в каналах монокристаллов цеолитоподобных алюмофосфатов, может использоваться в качестве основы для создания элементов встроенной температурной защиты и температурных датчиков в схемах измерения и контроля температуры.
Полученные в диссертации экспериментальные результаты открывают новые практические возможности создания наноструктур с заданными свойствами, предназначенных для использования в электронике.
Достоверность и 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 представления, соответствием экспериментальных результатов модельным представлениям.
Апробация результатов исследования.
Основные положения и результаты работы докладывались на международных научно-практических конференциях: «Нанотехнологии -производству» (Фрязино, 2005, 2008 гг.), на VII и VIII международных конференциях «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2005, 2006 гг.), на III и IV международных конференциях по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» (Москва, 2006, 2010 гг.), на Международной конференции «Структурная химия частично упорядоченных систем, наночастиц и нанокомпозитов» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на XX Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям (Санкт-Петербург, 2007 г.), на I международной научной школе-
семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных» (Великий Новгород, 2007 г.), на IV Всероссийской научной конференции молодых учёных и сотрудников (Краснодар, 2007 г.), на Конференции (школе-семинаре) по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физика. СПб» (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.), на Школе молодых ученых «Современные проблемы наноэлектроники, нанотехнологий, микро- и наносистем» (Ульяновск, 2010, 2011 гг.), на I международной конференции «Образование в сфере нанотехнологий: Современные проблемы и перспективы» (Москва, 2010 г.).
Результаты диссертационного исследования докладывались на семинарах кафедры физики ПГПУ им. СМ. Кирова, РГПУ им. А.И. Герцена, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.
Структура и объем диссертации.
Общий объем работы составляет 123 страницы. Она включает в себя введение, три главы, заключение, библиографию из 120 наименований и содержит 43 рисунка и 4 таблицы.
