Содержание к диссертации
Введение
1. Электрофизические и электрооптические явления в магнитоэлектрических дисперсных системах 9
1.1. Электрофизические свойства магнитной жидкости 9
1.2. Особенности электрофизических и электрооптических свойств магнитной жидкости в электрическом поле 17
2. Объект и методика экспериментального исследования 31
2.1. Объект исследования 31
2.2. Экспериментальная установка и методика определения толщины приэлектродного слоя магнитной жидкости эллипсометрическим методом в стационарных электрических полях 34
2.2.1. Нулевая эллипсометрическая схема для работы в отраженном свете 34
2.2.2. Методика проведения эллипсометрических измерений 40
2.2.3. Определение оптических параметров отражающей системы 44
2.3. Автоматизированная экспериментальная установка и методика изучения кинетики процесса изменения приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле 51
3. Оптические и электрические свойства приэлектродного слоя магнитной жидкости в стационарных и нестационарных электрических полях 59
3.1. Численное моделирование систем однородных слоев 59
3.2. Экспериментальное исследование изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной области ячейки с магнитной жидкостью 66
3.3. Экспериментальное определение толщины приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле эллипсометрическим методом при отражении света от границы «магнитная жидкость - тонкий прозрачный электрод» 71
3.4. Кинетика образования приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле 95
3.5. Особенности электрических свойств магнитной жидкости в электрическом поле 101
4. Физическая модель образования приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле 114
4.1. Уравнение, описывающее движение частицы в электрическом поле 114
4.2. Влияние электрофореза при формировании приэлектродного слоя магнитной жидкости 116
4.3. Физическая модель образования приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле 122
Основные результаты и выводы 133
- Особенности электрофизических и электрооптических свойств магнитной жидкости в электрическом поле
- Методика проведения эллипсометрических измерений
- Экспериментальное исследование изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной области ячейки с магнитной жидкостью
- Кинетика образования приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле
Введение к работе
Магнитные жидкости (МЖ) обладают уникальным сочетанием электрических, оптических и магнитных свойств, что делает такие жидкости привлекательными объектами для исследования и открывает широкие возможности их технического использования [115, 16-18]. Наблюдаемые в магнитной жидкости явления во многом определяются свойствами малых частиц, их взаимодействием во внешних полях и структурным состоянием системы частиц.
Поведение МЖ в электрическом поле, приводит к появлению интересных фактов. В частности, к образованию необычайно большого заряда, по величине на 3-4 порядка превышающего заряд, накапливаемый в плоском конденсаторе аналогичных геометрических размеров, появлению неоднородности в распределении электрического поля в приэлектроднои области, существованию особенностей электропроводности МЖ в электрическом поле и др.
При изучении электромагнитооптических свойств обнаруживается ряд эффектов: двойное лучепреломление в магнитном и электрическом полях, дифракционное, анизотропное и квазиупругое рассеяние света. Кроме этого, в электрическом поле вследствие увеличения концентрации частиц вблизи электрода, наблюдается изменение отражательной способности ячейки с МЖ, образование вблизи электрода различных структур, возникновение автоволновых процессов и др.
В связи с этим, МЖ могут служить модельной средой для изучения процессов электроочистки жидкостей от загрязнений ультрамалых размеров (10 - 100 нм), а так же для изучения автоволновых процессов и процессов самоорганизации.
Процессы проводимости, электризации и поведение твердых проводящих и изолирующих частиц в слабопроводящих жидкостях взаимосвязаны. При этом возникающие электрооптические особенности
поведения магнитных коллоидных частиц в углеводородной жидкости в электрическом поле остаются малоизученными, хотя с точки зрения наблюдения и регистрации являются одними из наиболее ярко выраженных. К настоящему времени у большинства исследователей не сложилось единого мнения по вопросу о строении и поведении приэлектроднои структуры в электрическом поле.
В связи с этим, целью настоящей работы является исследование свойств приэлектродного слоя магнитной жидкости по эллипсометрическим и электрофизическим измерениям.
В ходе достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработка методики определения толщины приэлектродного слоя МЖ с использованием эллипсометрического метода при работе в отраженном свете;
проведение численного моделирования по изменению эллипса поляризации света, отраженного от однослойной и двухслойной пленки для интерпретации экспериментальных результатов эллипсометрических измерений оптико-физической системы с МЖ;
определение толщины слоя высококонцентрированной МЖ вблизи электрода в электрическом поле;
исследование кинетики образования приэлектродного слоя МЖ для уточнения его структуры;
исследование электрических свойств ячейки с МЖ в электрическом поле: проводимость приэлектродного слоя магнитной жидкости и магнитной жидкости в объеме ячейки, заряд, накапливаемый в приэлектродном слое.
Научная новизна результатов диссертации состоит в следующем:
Впервые на основе систематических эллипсометрических измерений и численного моделирования отражающей системы получено:
вблизи электрода в электрическом поле образуется тонкий слой концентрированной МЖ с объемной концентрацией частиц 24%±2%, имеющий резкую границу с магнитной жидкостью (0,5 об. %) в объеме ячейки;
толщина слоя на линейном участке вольтамперной характеристики на установившемся токе линейно зависит от напряжения; вблизи положительного электрода толщина слоя больше (~ в 2-2,5 раза), чем вблизи отрицательного электрода;
определен промежуток времени на котором основную роль в образовании слоя играет электрофорез, для жидкости с объемной концентрацией частиц 0,5% и напряженности 1-Ю4 -5-104В/м он составил 0,1-0,15 с.
Впервые по комплексным исследованиям электрических и оптических свойств ячейки с МЖ жидкостью получено, что проводимость в объеме ячейки на три-четыре порядка выше проводимости слоя МЖ, образующего вблизи электрода в электрическом поле. При этом заряд, накапливаемый в приэлектродном слое, на два-три порядка больше, чем заряд в конденсаторе аналогичных геометрических размеров без учета скачка проводимости на границе слоя.
Достоверность представленных в диссертационной . работе результатов обеспечивается применением в экспериментах надежных стандартных методик и приборов, получением большого массива опытных данных. Результаты работы согласуются с уже известными результатами. Полученные результаты экспериментальных исследований теоретически интерпретированы и не противоречат основным положениям физики. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты опытных исследований коллоидной системы на углеводородной основе, приведенные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании новых и модернизации уже известных устройств электроочистки непроводящих жидкостей от загрязнений ультра малых размеров (10 - 100 нм), а также устройств для определения качества технических непроводящих жидкостей. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации свойств устройств, работающих по принципу электроуправления отражательной способностью МЖ, в частности электрофорезного индикатора и электроуправляемого спектрофотометра [21,10]. Результаты численного моделирования в дальнейшем могут быть использованы для моделирования автоволновых процессов внутри электрофоретической ячейке.
На защиту выносятся следующие положения.
Экспериментальные результаты изменения эллипса поляризации при интерференции отраженного монохроматического света от границы «тонкий прозрачный электрод - слой концентрированной магнитной жидкости» в электрическом поле.
Результаты численного моделирования интерференции поляризованного монохроматического света, отраженного от тонкого проводящего электрода на границе с полубесконечной средой и тонким слоем концентрированной магнитной жидкости. Выбор модели отражающей системы
Методика определения толщины приэлектродного слоя МЖ от времени воздействия электрического поля, и экспериментальные результаты зависимости толщины слоя от времени при различных напряженностях электрического поля.
4. Оценка усредненной проводимости магнитной жидкости в
высококонцентрированном слое и магнитной жидкости в объеме ячейки.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 153 страницах, содержит 50 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 150 наименований.
Личный вклад соискателя. Автором лично проведено тестирование и юстировка экспериментальных установок, проведение численного моделирования изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной области МЖ, все экспериментальные исследования и обработка результатов измерений. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Особенности электрофизических и электрооптических свойств магнитной жидкости в электрическом поле
Электрические свойства коллоидных систем с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой давно привлекли внимание ученых. Еще в 1808 г. Ф.Ф. Рейс поставил два эксперимента, в одном из которых был обнаружен эффект, называемый теперь электроосмосом, во втором -фактически открыл электрофорез. В 1875 г. Д. Керр обнаружил электрооптический эффект, а Д.К. Максвелл положил начало исследованию кондуктометрических явлений. Дальнейшее исследование в области дисперсных системах показало, что все эти явления взаимозависимы, и характер их проявления определяется свойствами двойного электрического слоя на границе раздела «твердое тело - жидкость». Поведение углеводородных дисперсных систем, к которым можно отнести магнитную жидкость типа «магнетит в керосине», в электрическом поле определяется сочетанием электрических, поляризационных и электрохимических явлений. В последнее время появилось большое количество работ, посвященных изучению электрофизических свойств магнитных жидкостей при воздействии поляризующего напряжения разной величины. Как и в любой коллоидной системе в магнитной жидкости в электрическом поле наблюдается электрофорез, то есть действие электрического поля приводит к миграции заряженных частиц, а, следовательно, к изменению концентрации твердой фазы в приэлектродных слоях. Воздействие внешних полей на коллоидную систему приводит к ориентации частиц дисперсной фазы, что сопровождается появлением в системе оптической анизотропии. В этом и заключается основная идея изучения электрооптических свойств коллоидных систем. Основы оптических методов исследования коллоидов разработаны достаточно глубоко. К основным электрооптическим явлениям в коллоидах относятся двойное лучепреломление, дихроизм, анизотропия светорассеяния и изменение спектра отраженного света. Электрооптические явления в дисперсных средах наблюдаются при помощи доступного оборудования, в отличие от молекулярных систем. В общем случае концентрация дисперсной фазы, а так же характер структурирования МЖ в приповерхностной области и ее объеме могут различаться. До настоящего времени нет единого мнения об изменении диэлектрической проницаемости и проводимости в граничных по сравнению с объемной частью жидкости.
Так, в [104, 88] было обнаружено, что приложение внешнего магнитного поля к МЖ существенно уменьшает поверхностную концентрацию магнитных частиц, что в свою очередь приводит к изменению коэффициента отражения света от границы раздела «стекло - МЖ». А в работе [119] автор впервые наблюдал влияние электрического поля на характер изменения спектра отражения света в тонкой пленке (-0,5 мкм) на границе с МЖ при электрофорезе. Продолжением этих исследований стали работы [24,144,145]. В них исследовался характер изменения отражательной способности тонкой, проводящей электрический ток, пленкой InSnCb, граничащей с МЖ. Проводящая пленка являлась одним из электродов в кювете с МЖ. В частности, в работе [24] было показано на основе анализа экспериментальных данных дисперсии контраста относительно отражения от поверхности пленка-керосин, что электрофорез приводит к увеличению концентрации частиц в приповерхностном слое. При этом МЖ в электрическом поле рассматривалась как полубесконечная среда, контактирующая с тонким прозрачным электродом. Обобщены результаты предыдущих работ и дополнена экспериментальными данными коэффициента отражательной способности МЖ различной концентрации без электрического поля и одной концентрации в поле работа [145], в которой также сделан вывод об увеличении концентрации магнетита в приэлектродной области при воздействии на МЖ электрическим полем. Кроме того, рассмотрено изменение нормированного коэффициента отражения при подаче на электроды кюветы импульсного напряжения. Полученные результаты свидетельствовали о сложном механизме формирования приэлектродной области МЖ, образование и разрушение которой сопровождается изменением концентрации магнитных частиц в непосредственной близости от электрода. Влияние толщины пленки, граничащей с МЖ, на отражение исследовано в работе [75]. В качестве прозрачного электрода использовался легированный слой кремния, толщина которого варьировалась от 0,4 мкм до 1,5 мкм. Авторами проведен теоретический анализ отражательной способности ячейки в ИК-диапазоне с учетом поглощения в средах. Исследование структуры МЖ в приэлектродной области оптическим методом в электрическом и магнитном поле, а также в сдвиговом течении проводилось в работах [76,37,28,29]. Был сделан вывод о том, что при воздействии электрического поля структурные образования в МЖ формируются преимущественно в приэлектродном слое, ориентацией и формой которых можно управлять сдвиговым течением и магнитным полем, но при этом не были указаны ни размеры возникающих структур, ни их концентрационное состояние. Экспериментальное сравнение спектральных характеристик электрофоретической ячейки с МЖ различной концентрации в электрическом поле и без него проведено в работах [132, 140, 137], в которой было показано смещение максимума спектра в область красного света при создании разности потенциалов на электродах. Это свидетельствует об образовании вблизи поверхности электрода слоя, концентрация которого больше начального равновесного значения.
Сравнение спектральной характеристики ячейки с пастой позволяет сделать вывод о том, что концентрация магнетита вблизи электрода порядка 25-32%. В работе видно, что спектральная характеристика ячейки с пастой содержит один максимум. Однако измерения спектральных характеристик ячейки под действием электрического поля и без него приводят к возникновению двух максимумов. Авторами так же было определено время релаксации объемного заряда для магнитной жидкости типа «магнетит в керосине» (порядка 10-50 мс). Так же предположено, что объемный заряд биполярный, величина его неодинакова и зависит от полярности электрода. Следовательно, можно предположить, что под действием электрического поля структура приэлектродной области МЖ имеет более сложное строение и не может быть полностью объяснена увеличением концентрации МЖ в ячейке до пастообразного состояния, как это было показано в работе [119]. В работе [40] для исследования возникающей более концентрированной фазы, а так же трансформации ее структуры, под воздействие различных факторов использовали явление дифракционного рассеяния луча лазера. Исследования проводились при совместном действии электрического и магнитного поля в широком интервале температур. Авторы предполагают, что зародышами новой фазы, по-видимому, являются образующиеся микрокапли. Дальнейшее исследование структуры приэлектродного слоя показали, что она имеет еще более сложное строение. В работе [134] показано, что вблизи электрода, помимо слоя концентрированной МЖ, образуется структурно-механический барьер, состоящий из молекул олеиновой кислоты. Толщины его предполагается равной удвоенной толщине молекул олеиновой кислоты. Авторы работы [38] также предполагают существование повышенной концентрации свободного ПАВ вблизи электродов. Авторы утверждают, что неоднородность поля, обусловленная сформировавшимся объемным зарядом, приводит к появлению сил, действующих на свободные молекулы олеиновой кислоты, имеющие постоянный или наведенный дипольный момент. В результате чего они начнут перемещаться в область с более высокой напряженностью поля, т.е. к электроду. В работе [140] путем анализа отражательной способности ячейки предполагается, что под действием статического электрического поля вблизи тонкого проводящего покрытия образуется слой низкоконцентрированной магнитной жидкости, который отделяет слой высокой концентрации от электрода.
Методика проведения эллипсометрических измерений
Эллипсометрические измерения проводились следующим образом. В экспериментальной ячейке с помощью прокладок и прижимающей пластины фиксировалось определенное расстояние между электродами. Ячейку устанавливали на столик и заливали в нее исследуемую жидкость. Без электрического поля, свет от источника, пройдя через призму и стекло, отражался дважды: от границы «стекло - проводящий слой» и «проводящий слой - магнитная жидкость в объеме ячейки». Вращением анализатора и компенсатора добивались максимального гашения света, отраженного от ячейки. При этом непосредственные значения азимутов на анализаторе и компенсаторе фиксируются. После подачи напряжения наблюдается просветление поля зрения, что свидетельствует об изменении оптических свойств отражающей системы. Время установления стационарного состояния составляет порядка 1 мин. После этого вновь поворотом анализатора и компенсатора добиваемся минимума отраженного света и фиксируем данные на анализаторе и компенсаторе. Чтобы изучить изменение амплитуды и фазы при отражении световой волны от рассматриваемой системы в эллипсометрии измеряют относительные величины. В этом случае сравниваются поляризации падающего и отраженного света. Если 8 , и 5,, - фазовые постоянные s- и р- компонент падающего света, а 8 , и 8 л - то же для отраженного света, то относительная разность фаз равна Уравнение (2.2.1) основное уравнение эллипсометрии отраженного света. Оно связывает экспериментально измеряемые эллипсометрические углы \/ и А с оптическими постоянными системы, толщинами поверхностных слоев, углом падения и длиной волны света, которые зависят от выбранной модели, описывающей отражающую систему. Как известно [34,93,143], плоско поляризованный свет, отраженный от поглощающей среды становится эллиптически поляризованным, причем большая ось эллипса составляет угол % с плоскостью падения (см. рис. 3). Если на пути такого света поставить идеальную четвертьволновую пластинку, с осью, составляющей угол % к плоскости падения, то на выходе из нее свет станет плоско поляризованным с плоскостью поляризации повернутой на угол (%+у) относительно плоскости падения.
Такой свет может быть погашен установкой оси анализатора перпендикулярно плоскости поляризации, вышедшего из компенсатора луча, т.е. в положение АЛ. Другими словами, если погасить при помощи анализатора и компенсатора излучение, отраженное от поверхности образца, то полученные при этом ориентации осей компенсатора К] и анализатора Aj относительно плоскости падения являются аргументами эллипсометрических углов % и у соответственно: где Ко, А0 - начальные значения лимбов компенсатора и анализатора, при которых их оси совпадают с плоскостью падения. Связь углов % и у с параметрами эллипсометрии \/ и А определяется уравнениями: Таким образом, измеряя экспериментально значения на анализаторе и компенсаторе в положении гашения, мы определяем основные эллипсометрические параметры \j/ и А. Затем, задаваясь определенной моделью отражающей системы, мы можем определить оптические характеристики и толщины исследуемых слоев, используя численное решение уравнения (2.2.1). Методика проведения эксперимента по изучению изменения эллипса поляризации света, отраженного от границы «магнитный коллоид - металл» в электрическом поле такая же, как и в случае исследования отражения от полупроводникового прозрачного электрода. Ячейка заполнялась исследуемой МЖ и располагалась на столике таким образом, чтобы луч света падал на боковую поверхность ячейки, а затем, отражаясь от границы «МЖ -металл», выходил через вторую боковую грань ячейки. И теперь, воздействуя на ячейку электрическим полем, определяются значения на анализаторе и компенсаторе в положении максимального гашения отраженного света. Метод эллипсометрии дает нам возможность определять толщины и показатели преломления поверхностных пленок на различных подложках. Точность определения этих параметров зависит от точности измерения не только поляризационных углов ці и А, но и параметров отражающей системы. Главный недостаток этого метода заключается в трудности определения момента погасания, поскольку ориентация компенсатора и анализатора взаимно зависимы. Если вносимый компенсатором сдвиг фазы отличается от четверти длины волны, гашение достигается только после многократных поворотов поляризующих элементов (метод качаний). Большая часть эллипсометрических исследований относится к границам газ - твердое тело, газ - жидкость. Количество исследований типа жидкость - твердое тело или жидкость - жидкость очень невелико. В основном такие исследования проводят в биологии и при абсорбции ионов в электрохимии. Важной особенность эллипсометрического метода является возможность применения его при комплексном исследовании совместно с другими методами. Термин «модуляционная эллипсометрия», который ввели Бакман и Башара [13], применяется в тех случаях, когда с помощью обычного эллипсометра измеряются малые измерения оптических параметров поверхности, наведенные внешним полем (электрическим, механическим, магнитным и др.).
Для измерений изменения оптических констант разработаны такие модуляционные методы как электроотражение, пьезоотражение, термоотражение [34]. Под действием модулирующего поля имеют место изменения поляризационных углов. Применяется модуляционная эллипсометрия для изучения зонной структуры твердого тела и тонких пленок. В принципе, если 6\/ и 8А изменяются апериодически их можно регистрировать с помощью быстрого автоматического нуль-эллипсометра, эллипсометра с вращающимся анализатором или поляризационно-модуляционного эллипсометра [13]. Обычно модуляционную эллипсометрию применяют для исследования периодических изменений 5\/ и 5А, вызванные периодическими изменениями модулирующего поля. Для этих исследований можно использовать и обычный эллипсометр с фиксированными оптическими элементами. Использование эллипсометрического метода связано с возможностью повышения чувствительности, точности и локальности измерений, расширением диапазона условий, в которых возможно проведение эксперимента. Не менее существенна и возможность комбинирования данного метода с другими, что резко повышает общую информативность исследования. 2.2.3. Определение оптических параметров отражающей системы При исследовании систем оптическими методами нужно знать такие оптические характеристики основных элементов системы как показатели преломления (действительные или мнимые) и толщины. Они являются неотделимыми элементам, влияющим на отражательную способность электрофоретической ячейки с МЖ под действием электрического поля. Основными составляющими исследуемой нами отражающей системы являются стекло ячейки, электрод и исследуемая МЖ. Определим их оптические параметры. Значение показателя преломления стекла ячейки найдем с помощью микроскопа МБУ - 4А, который имеет винт точного (микрометрического) перемещения тубуса. Этот метод основан на том, что если смотреть на предмет, находящийся под стеклянной пластиной, то, вследствие преломления света в стекле, он кажется расположенным несколько выше, чем в действительности. Максимальная точность измерений достигается, когда объект находится в центральной части поля зрения микроскопа. С помощью этого метода устанавливается связь между значением показателя преломления, толщиной пластины и величиной кажущегося поднятия, которое определяется с помощью микроскопа. Было получено значение 1,57 .0,04 для надежности 0,95. В электрооптических исследованиях находят применение плоскопараллельные стеклянные электроды, проводящие поверхности которых представляют собой тонкий слой оксида олова индия (БпІпОг), напыленный на одну из поверхностей.
Экспериментальное исследование изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной области ячейки с магнитной жидкостью
Известно, что воздействие электрического поля на электрофоретическую ячейку с МЖ приводит к изменению внутренней структуры первоначально однородной жидкости [24,132,140,137 и др.]. Однако все эти многочисленные исследования не дают ответа на вопрос о структуре приэлектродной области МЖ. Для уточнения свойств образующейся структуры вблизи электрода в электрическом поле и повышения чувствительности исследования нами применялся эллипсометрический метод. Экспериментальное изучение приэлектродной области магнитной жидкости в электрическом поле вблизи электродов ячейки, заполненной слабопроводящей магнитной жидкостью (типа «магнетит в керосине» с олеиновой кислотой в роли ПАВ) мы основывали на анализе изменения поляризации отраженного света. Для этого применялась схема и методика, предложенная в п.2.2. В работе использовалась МЖ с объемной концентрацией частиц 0,5%. Выбор концентрации основан на удобстве получения экспериментальных данных и теоретической интерпретации (не учитывается взаимодействие между частицами). В экспериментальной ячейке с помощью прокладок и прижимающей пластины фиксировалась определенная толщина между электродами (180 мкм и 360 мкм). Затем в ячейку заливалась исследуемая магнитная жидкость и устанавливалась на столик. При подаче напряжения на ячейку в ней устанавливается стационарное состояние, о котором можно судить по неизменному оптическому отклику от ячейки. Такому состоянию соответствуют одни и те же значения углов на анализаторе и компенсаторе в положении минимума, что свидетельствует о неизменности свойств отражающей системы. Следовательно, при данном напряжении образовалась приэлектродная структура с постоянными свойствами. На рис. 14 представлены зависимости непосредственных значений углов на анализаторе и компенсаторе в положении гашения от напряжения для различных расстояний между электродами и угла падения 45 (180 мкм -1 и 360 м км - 2). Из графиков видно, что, создаваемая разность потенциалов на электродах электрофоретической ячейки, приводит к изменению значений углов на анализаторе и компенсаторе, что свидетельствует об изменении оптических характеристик отражающей системы.
Причем изменяться могут как комплексные показатели преломления, так и толщины. В результате были получены следующие зависимости (рис. 15). По оси U/d зависимости ограничены значением -1.4-105-1.5-105 В/м. При больших значениях отыскание положения гашения становиться затруднительным в связи с нестационарностью оптического отклика ячейки. Это говорит об установлении в ячейке гидродинамической неустойчивости. Оказалось, что увеличение межэлектродного расстояния в два раза не приводит к такому же (пропорциональному) изменению эллипсометрических характеристик при отражении от приэлектродной области МЖ. Это свидетельствует о нелинейности процессов внутри ячейки под действием электрического поля. При проведении измерений, чтобы не сбить юстировку оптической системы, шприцом отсасывалась МЖ из кюветы, далее она промывалась керосином, аккуратно протиралась и новая порция МЖ заливалась в кювету. При одних и тех же внешних условиях и на одном и том же напряжении измерения проводились 10 раз. В таблице 1 приведены значения непосредственных углов анализатора и компенсатора в положении гашении для напряжения на ячейке 5В. Для интерпретации результатов эллипсометрических измерений реальную отражающую систему необходимо заменить моделью, наиболее адекватно описывающую изучаемую систему. Учитывая при развитии представлений о строении приэлектродного слоя, существование двух принципиальных моделей, рассмотрим теоретическое обоснование всех. В первой модели предполагается, что под действием электрического поля вблизи электрода происходит увеличение концентрации частиц магнетита, а, следовательно, и комплексного показателя преломления МЖ [119]. Во второй, вблизи оптического электрода в электрическом поле образуется слой концентрированной МЖ ( 25-30%) с резкой границей со слабоконцентрированной МЖ в объеме ячейки [132]. Рассмотрим первую модель. Будем считать, что подача напряжения на ячейку приводит к увеличению комплексного показателя преломления МЖ. Для этого отражающую систему заменим моделью однородной изотропной пленки (см. рис. 11). Роль пленки будет выполнять электрод, среды распространения света - стекло ячейки, а роль подложки - магнитная жидкость вблизи электрода. Численное решение основного уравнения эллипсометрии (3.3.6) проводилось в среде Mathcad 2001 [68] с использованием формул (3.3.1) и (3.3.2). При этом были использовании следующие параметры системы: угол падения - 45, длина волны света - 632,8 нм, среда распространения излучения - Пі=1.57, ki=0, параметры электрода - Пг=2.2, к2=0.075, d=1.27-10"7 м, оптические постоянные подложки изменяются в пределах от керосина до высококонцентрированной МЖ - Пз=1.43-2.00, к3=0-0.1.
На плоскости (А,К) построены две кривые - номограммы, одна из которых представляет собой набор решений уравнения (3.3.6) при изменении величины комплексного показателя преломления, а вторая экспериментальные точки при изменении напряжения от 0 до 10 В. Из рисунка видно, что при варьировании всех возможных значений комплексного показателя преломления МЖ предложенная модель не описывает экспериментальные результаты. Это свидетельствует о том, что изменение эллипса поляризации света при электроотражении от приэлектродной области МЖ нельзя описать простым изменением концентрации частиц магнетита вблизи электрода. Рассмотрим вторую модель. Основываясь на предположении, что вблизи электрода в электрическом поле образуется слой концентрированной МЖ ( 25-30%), мы заменим реальную систему моделью двухслойной пленки, расположенной между средой и подложкой (рис. 13). Т.е. изменение поляризации отраженного от ячейки света вызвано дополнительной интерференцией на слое, образующемся в приэлектродной области в электрическом поле. В этом случае в постоянном электрическом поле толщина второй пленки будет изменяться из-за миграции частиц магнетита к электроду. При построении модели будем варьировать оптические параметры слоя концентрированной МЖ в пределах, включающих в себя пределы изменения концентрации МЖ вблизи электрода, полученные другими авторами. Согласно этому, при построении модели концентрация приэлектродного слоя МЖ будет изменять от 20 до 32 %. Левая граница интервала соответствует концентрированной МЖ, находящейся в текучем состоянии, а правая -«пастообразное» состояние МЖ. При моделировании были использованы следующие параметры системы: угол падения - 45, длина волны света - 632,8 нм, среда распространения излучения - П]=1.57, ki=0, параметры электрода - п2=2.2, k2=0.075, (1=1.27-10"7 м, оптические постоянные подложки п4=1.43, \ц=0. В среде Mathcad 2001 была построена модель двухслойной пленки, расположенной между полубесконечной средой и подложкой. При численном решении уравнения (3.3.6) использовались формулы (3.3.4) и (3.3.5). Результаты моделирования представлены на рис. 17. Каждый подрисунок, представляет собой сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в результате моделирования двухслойной пленки, при изменении комплексного показателя преломления слоя концентрированной МЖ в пределах, представленных в таблице.
Кинетика образования приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле
В ранних работах для изучения кинетики формирования слоистой структуры приэлектродных областей применяли метод, основанный на анализе отражательных способностей ячейки с МЖ при различных внешних условиях [132, 19, 87]. Главной проблемой в этих исследованиях является низкая разрешающая способность установок. Эффективным методом исследования кинетики различных физико-химических процессов на поверхности твердого тела или жидкости может служить ненулевой эллипсометрическии метод. Явление изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной области МЖ имеет закономерности кинетики процесса. Поэтому по изменению интенсивности отраженного света можно судить о скорости протекающих процессов, и, в частности, об изменении толщины слоя от времени воздействия электрического поля В экспериментах использовалась установка, представленная в п. 2.3. Измерения проводились на жидкости с концентрацией 0,5%, расстояние между электродами 180 мкм, угол падения 45. В результате получены зависимости относительной интенсивности фототока на выходе эллипсометра в закомпенсированном состоянии от времени для различных значений амплитуды импульсов напряжения, подаваемых на ячейку (рис. 33). Относительная величина получена делением интенсивности отраженного света за вычетом деполяризованной составляющей на максимальное значение интенсивности при 10 В. Используя эти зависимости, мы можем оценить, как изменяется толщина концентрированного слоя МЖ вблизи электрода от времени действия электрического поля. Для интерпретации полученных экспериментальных результатов, была смоделирована двухслойная отражающая система, учитывающая тот факт, что напряжение на ячейку подавалось от 2 В. Этот факт в модели будет учитываться наличием в начальный момент в близи электрода слоя, толщина которого соответствует толщине высококонцентрированного слоя МЖ при напряжении на ячейке 2В. Из нулевых эллипсометрических измерений известно, что при угле падения 45 град, и при расстоянии между электродами 180 мкм толщина слоя при 2 В равна 1.9 10 8м. Таким образом, в среде Mathcad 2001 была построена модель двухслойной пленки, расположенной между полубесконечной средой и подложкой. При численном решении уравнения (3.3.6) использовалась формула (3.3.3). Это позволило получить теоретическую зависимость интенсивности отраженного света от ячейки в закомпенсированном состоянии при 2В от толщины слоя концентрированной МЖ.
При моделировании были использовании следующие параметры системы: угол падения - 45 град, длина волны света - 632,8 нм, среда распространения излучения - ni=1.57, kj=0, параметры электрода - П2=2.2, k2=0.075, d2=1.27-10" м, параметры слоя концентрированной МЖ - п3=1.74, к3=0.033, оптические постоянные подложки ns=1.43, к5=0. На рисунке 34 представлена теоретическая зависимость относительной интенсивности отраженного света от толщины второй пленки (концентрированная МЖ), полученные в результате моделирования. Для проведения сравнительного анализа воспользуемся данными по толщине слоя в установившемся состоянии для различных значений напряжения, подаваемого на ячейку. Отметим, прежде всего, что на выходе из эллипсометра наряду с полностью линейно-поляризованным светом интенсивности 1вых, имеется также полностью деполяризованный световой пучок, интенсивность которого зависит от множества внешних факторов: конструкции эллипсометра, качество отражающих поверхностей и др. Будем обозначать интенсивность деполяризованного света через ID. Так же будем предполагать, что величина ID не зависит от углов поворота анализатора и компенсатора. Это позволило нам построить зависимость интенсивности отраженного света в относительных единицах за вычетом величины деполяризованной составляющей света и отнесенной к максимальному значению интенсивности в стационарном состоянии. В качестве примера рассмотрим экспериментальную зависимость относительной интенсивности отраженного света от ячейки в закомпенсированном положении анализатора и компенсатора при подаче импульса напряжения от 2В до 6В (рис. 35). (І-ЬУІг Из рис. 35 видно, что в какой-то момент времени действие электрического поля не приводит к изменению интенсивности отраженного света. Это свидетельствует о неизменности оптических свойств отражающей системы, и в частности, что вблизи электрода сформировался слой высококонцентрированной МЖ конечной толщины. Толщину слоя в установившемся состоянии мы можем оценить по полученной с помощью нулевых эллипсометрических измерений зависимости толщины приэлектродного слоя от напряжения, в частности, для 4В (6В-2В=4В). Она оказалась порядка 5 10"8м. Таким образом, на рис. 35 значению 1 соответствует относительная интенсивность отраженного света при толщине приэлектродного слоя 5-1(Г8м. Для проведения анализа необходимо модельную зависимость интенсивности отраженного света от величины слоя, представленную на рис. 33 перестроим таким образом, чтобы в относительных единицах при толщине 5-10 8м интенсивность соответствовала единичному значению.
В результате получили следующую зависимость интенсивности отраженного света в относительных единицах за вычетом величины деполяризованной составляющей света и отнесенной к значению интенсивности при толщине слоя 5 10"8м - Id (рис. 36). 1.5Г Анализ графиков показывает, что на начальном участке времени характер зависимости линейный. Используя зависимость, представленную на рис. 36 оценена скорость нарастания слоя в электрическом поле в зависимости от величины усредненной напряженности поля. Оказалась, что эта зависимость приближается к линейной на участке времени от 0 до 0,1-0,15 с. На рис. 38 представлена зависимость для t=0,l с. Существование линейной зависимости скорости нарастания слоя от величины напряженности, позволило сделать вывод о преобладающей роли электрофореза на этом интервале времени. Ранее уже было показано, что на величину слоя концентрированной МЖ влияет полярность электрода, вблизи которого он образуется. Измерения эллипсометрических углов так же показали, что полярность отражающего электрода влияет на скорость возникновения в ячейке неустойчивости. 3.5. Особенности электрических свойств магнитной жидкости в электрическом поле Еще в ранних работах по проводимости жидких диэлектриков [99,100] отмечалось, что ток при постоянном напряжении со временем уменьшается. Это явление многими трактовалось как электроочистка жидкости [12]. Но более поздние исследования показали, что релаксационные процессы, наоборот, интенсифицируются с повышением чистоты жидкости [65, 63]. В очищенных органических жидкостях ток спадает по закону, близкому к экспоненциальному, и релаксация его обусловлена формированием объемного заряда. Электрические параметры электрофоретической ячейки находятся в прямой связи со структурой приэлектродных областей. С целью изучения особенностей проводимости в приэлектродном слое были получены ампер-временные зависимости тока для различных напряжений, подаваемых на электроды. Прогресс о микро- и оптоэлектронике, оптике и в ряде других областей техники непосредственно связан с развитием тонко пленочных технологий [113,117]. Современный уровень развития науки и техники предъявляет высокие требования к качеству пленок, рациональности использования их специфических свойств. Структурные особенности, удельная проводимость, качество поверхности, стабильность свойств веществ во времени — все это играет важную роль при определении тех или иных качеств исследуемого образца. Бурное развитие нанотехнологий стимулирует исследование свойств пленок, толщина которых составляет десятки и даже единицы нанометров. Кроме этого, в последнее время активно исследуется аморфное состояние вещества.
