Введение к работе
Актуальность темы
Явление адсорбции газа (паров воды) на незаряженной поверхности полупроводников критически важно для большого сегмента техники и промышленности. Адсорбция применяется для разделения газовых и жидких смесей, для осушки и очистки газов и жидкостей. Адсорбционные методы анализа применяются для определения удельной поверхности твердых веществ, оценки размера нанесенных частиц (в том числе наноразмерных) на поверхности носителя. Адсорбция играет важную роль во многих природных процессах, таких, как обогащение почв и образование вторичных рудных месторождений. Именно благодаря адсорбции осуществляется первая стадия поглощения различных веществ из окружающей среды клетками и тканями биологических систем, функционирование биологических мембран, первые этапы взаимодействия ферментов с субстратом, защитные реакции против токсичных веществ. Одна из технических проблем состоит в разработке надежных и чувствительных датчиков содержания газов (паров) в газовой смеси.
В последние десятилетия возникло большое количество журналов (например, Adsorption Science And Technology (1996), Journal Of Liquid Chromatography & Related Technologies (1996), Journal Of Porous Media (2002), Langmuir: The Acs Journal Of Surfaces And Colloids (1985)), специализирующихся на проблемах сорбции в определенных классах материалов или целиком посвященных проблемам сорбции. Тем не менее, представления о процессах, происходящих на поверхности адсорбента, не являются окончательно сложившимися. Начиная с работ Гиббса, Ленгмюра и Поляни механизм адсорбции получил варианты адекватного теоретического описания. Описание в терминах потенциальной теории адсорбции (уравнение Вигнера-Поляни, уравнения Дубинина-Радушкевича) широко применяется при исследовании кинетики процессов сорбции микропористых материалов. Созданная на основе модели Ленгмюра теория БЭТ уже более полувека служит основой для исследования изотермических процессов на плотных поверхностях. Большая часть работ по практическим проблемам изотерм сорбции для конкретных материалов состоит в подборе параметров уравнения БЭТ. Однако, хорошо известно, что данная модель описывает изотермы сорбции далеко не для всех материалов. В частности, в рамках модели затруднительно описание адсорбции воды на электрически нейтральных поверхностях адсорбентов. Поэтому проблема адекватного теоретического описания изотермической адсорбции вполне актуальна на данный момент.
Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР Воронежской государственной технологической академии "Методы теории функций и математического анализа в задачах математической физики". Номер
государственной регистрации 01870057404, утвержденной министерством высшего и среднего образования РФ.
Цель и задачи работы
Целью работы является создание пьезокварцевого датчика влажности в области низких парциальных давлений паров воды с покрытием из оксида алюминия и развитие теории физической сорбции паров воды на однородных электронейтральных поверхностях.
Для достижения указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
Изготовление кварцевых резонаторов, на поверхности которых путем магнетронного распыления сформированы аморфные оксидные пленки; электронно-микроскопические и эллипсометрические исследования покрытия резонаторов. Высокоточные измерения влияния малых концентраций паров на изменение частот кварцевых генераторов; получение изотерм сорбции в области малых (менее 20%) значений влажности.
Создание адекватной модели процесса многослойной адсорбции паров воды на поверхности пленки; получение оценок послойных энергий связи молекул адсорбтива в процессе сорбции на поверхности.
Проверка созданной модели на основании полученных экспериментальных данных для пьезокварцевого датчика влажности, а также по изотермам адсорбции других авторов.
Научная новизна
Создан датчик малых парциальных давлений влаги в газах на основе пьезорезонатора со слоем анодного оксида алюминия. Методом пьезоэлектрического взвешивания получены изотермы сорбции воды на поверхности аморфного оксида алюминия. Впервые получены непористые аморфные слои оксида алюминия на поверхности серебряного электрода кварцевого пьезорезонатора.
Разработана модель процесса многослойной адсорбции газа на поверхности твердого тела, позволяющая получить послойные энергии связи молекул адсорбтива по одной изотерме сорбции. В рамках модели впервые получены уравнения кривых изотерм адсорбции V типа в интервале до Vi давления насыщенных паров.
Обнаружено возрастание послойной энергии связи при переходе от первого слоя адсорбированной на окисле алюминия воды ко второму.
Практическая значимость работы
На основе полученных результатов могут быть разработаны технологичные и относительно дешевые пьезоэлектрические датчики содержания паров воды пригодные в области низких концентраций молекул воды.
Разработанная в диссертации модель процесса многослойной адсорбции
газа на поверхности твердого тела позволяет получить из изотермы сорбции послойные энергии связи молекул адсорбтива. Модель также является основой для теоретического анализа микроскопических процессов сорбции.
Положения, выносимые на защиту
Получение изотерм адсорбции воды методом пьезоэлектрического микровзвешивания на поверхности слоев анодного окисла алюминия, а также пленок, формируемых плазмохимическим распылением корунда.
Модели процесса многослойной адсорбции газа на поверхности твердого тела, позволяющие получить из изотерм адсорбции послойные энергии связи молекул адсорбтива.
Уравнения кривых изотерм адсорбции V типа при полислойной физической адсорбции на электронейтральных гомогенных поверхностях в области давлений ниже точки фазового перехода при выполнении условия идеальности газа адсорбата.
Апробация работы
Результаты докладывались и обсуждались на: Третья всероссийская конференция ФАГРАН 2006 (Воронеж, 2006); Девятнадцатая международная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (Воронеж, 2006); Двадцатая международная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (Ярославль, 2007); 8th Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters IWFAC 2007 (Санкт - Петербург, 2007); Четвертая всероссийская конференция ФАГРАН 2008 (Воронеж, 2008), а также на ряде региональных конференций.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Благодарности
Автор работы выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю, доктору физико-математических наук Д.С. Сайко, а также кандидату физико-математических наук С.А. Титову за предложенную интересную тему исследования, чуткое руководство, помощь в проведении эксперимента и плодотворное обсуждение результатов и внимательное отношение на всех этапах работы.
Личный вклад автора
Все исследования, представленные в диссертации, проведены соискателем. В работах [1-3, 5-7] соискатель участвовал в постановке задач и обсуждении результатов, производил вычисления. В работе [4] соискатель участвовал в обсуждении результатов. В работах [5-7] цель исследования формулировалась совместно со С. А. Титовым. В работах [8-10] цель исследования формулировалась совместно с Д.С. Сайко.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 121 страницы, включая оглавление, 33 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 130 источников.
