Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
На современном этапе развития научно-технический прогресс во многом определяется прогрессом информационных технологий, развитие которых в большой степени обусловлено возможностью улучшения характеристик регистрирующих сред, материалов и технологий, а также внедрением в широкую практику новых более эффективных систем записи, обработки и хранения информации [1].
В настоящее время наибольшее распространение среди сред регистрации оптического излучения получили галогенсеребряные фотоматериалы [2]. Они не всегда удовлетворяют современным требованиям к регистрирующим средам [3]. Это обусловлено ограничением разрешающей способности при необходимости повышения светочувствительности, регистрацией фонового излучения, невозможностью быстрого доступа к записанной информации. Кроме того, так как природные ресурсы серебра ограничены, наблюдается рост себестоимости галогенсеребряных фотоматериалов.
Таким образом, одной из актуальных проблем в области оптических регистрирующих сред является создание новых фотоматериалов и систем регистрации изображения, отвечающих всем современным требованиям. Сделать это можно или совершенствуя обычные галогенсеребряные регистрирующие среды, или разрабатывая новые светочувствительные композиции на бессеребряной основе. Для того чтобы бессеребряные фотоматериалы могли конкурировать с галогенсеребряными композициями по основным фотографическим характеристикам, необходимо детальное исследование всех стадий формирования фотоактивных центров и образования в них центров видимого изображения. Это делает актуальными исследование свойств нового класса гетерогенных светочувствительных композиций, в которых фотоактивная составляющая композиции диспергирована в полимерную матрицу. В частности, в качестве такой модельной системы может быть исследована гетерогенная светочувствительная композиция, состоящая из поливинилового спирта (ПВС) с диспергированным в нее оксидом цинка (ZnO) и сенсибилизированную хлоридом висмута (ВіС13).
Эта композиция относится к классу твердофазных гетерогенных фотокаталитических систем и является представителем нового класса фотографических материалов, не имеющих прямых аналогов.
Целью работы является выявление физических закономерностей и особенностей протекания фотостимулированных процессов в гетерогенной композиции поливиниловый спирт - оксид цинка - хлорид висмута. Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Определение основных фотографических характеристик фотоматериала;
-
Исследование воздействия излучения различного спектрального состава на светочувствительную композицию;
-
Выявление изменения состава композиции под действием излучения;
-
Установление природы центров видимого изображения;
-
Разработка схемы протекания фотостимулированных процессов.
Основным объектом исследования выбрана светочувствительная композиция ПВС-ZnO-BiCb.
При выполнении работы были использованы различные экспериментальные методики: рентгенофазовая спектроскопия, растровая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, инфракрасная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, спектроскопия диффузного отражения, а также методы статистического моделирования.
-
Впервые построена характеристическая кривая фотоматериала на основе светочувствительной композиции ITBC-ZnO-BiCb, определены его основные фотографические характеристики и произведено сравнение с основными гало-генсеребряными и бессеребряными аналогами.
-
Впервые показано, что основной вклад в светочувствительность композиции ITBC-ZnO-BiCb обеспечивается комплексом хлорида висмута - [ВіС14]~.
-
Впервые показана зависимость окраски поверхности светочувствительной композиции ITBC-ZnO-BiCb, появляющаяся в результате ее экспонирования, от спектрального состава экспонирующего излучения.
-
Впервые показано, что длины полиеновых структур, которые являются одними из конечных продуктов фотостимулированных превращений в композиции HBC-ZnO-BiCb, зависят от длины волны экспонирующего излучения.
-
Предложен и обоснован механизм протекания фотостимулированных процессов и формирования прямого почернения за счет одновременной модификации органической и неорганической составляющих композиции IIBC-ZnO-ВіСІз.
Все выбранные экспериментальные методики и способы обработки экспериментальных данных являются стандартными и статистически достоверными. Результаты отдельных исследований хорошо согласуются между собой и с результатами, полученными и опубликованными другими авторами, не противоречат существующим представлениям физики конденсированных сред, оптики, физической химии, химии высокомолекулярных соединений, теории фотокатализа. Кроме того предложенная модель протекания фотостимулированных про-
цессов полностью согласуется с результатами численного моделирования, также выполненного в данной диссертации.
Полученные результаты могут быть использованы для уточнения теории фотографических процессов в гетерогенных системах, в которых полупроводник диспергирован в полимерную матрицу.
Исследованная светочувствительная композиция ITBC-ZnO-ВіСІз может быть использована в качестве фотоматериала прямого почернения для регистрации УФ- и рентгеновского излучения, а также в микроэлектронике для изготовления печатных плат.
-
Основной вклад в процесс формирования оптического почернения светочувствительной композиции, состоящей из поливинилового спирта с диспергированным в него оксидом цинка и сенсибилизированного хлоридом висмута при экспонировании вносит тетраэдрический комплекс висмута.
-
Экспонирование более коротковолновым УФ-излучением приводит к образованию в светочувствительной композиции, состоящей из поливинилового спирта с диспергированным в него оксидом цинка и сенсибилизированного хлоридом висмута более протяженных полиеновых структур, определяющих положение полос поглощения в спектрах диффузного отражения и скорость их роста.
-
Под действием излучения в светочувствительной композиции происходит образование оптического почернения за счет одновременной модификации как поливинилового спирта, так и хлорида висмута, заключающейся в образовании полиеновых структур и межмолекулярных сшивок в поливиниловом спирте, оксида висмута и мелкодисперсного металлического висмута из хлорида висмута. В качестве центров видимого изображения выступают как металлический висмут, так и полиеновые структуры, образующиеся в поливиниловом спирте.
-
Механизм протекания фотостимулированных реакций в светочувствительной композиции, состоящей из поливинилового спирта с диспергированным в него оксидом цинка и сенсибилизированного хлоридом висмута, заключается в одновременной модификации поливинилового спирта и хлорида висмута вследствие фотовозбуждения оксида цинка.
СВЯЗЬ С ГОСУДАРСТВЕННЫМИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОГРАММАМИ И НИР
Часть диссертационной работы выполнялась в рамках темы «Нелинейно-оптические эффекты в фоторефрактивных средах» (гос.рег. № 01201067115) и в рамках договора № 15 на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по теме «Применение композиции полимер - полупроводник - соль металла в качестве фоторегистрирующей среды» в рамках проекта № 13093 «Фоторегистрирующие среды, нанометрология, повышение качест-
ва электроэнергии» программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2010».
Основные научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
Региональной конференции по физике (г. Владивосток, 2003 г.);
-
IV Международной конференции стран Азиатско-тихоокеанского региона «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники Арсот-2004» (г. Хабаровск, 2004 г.);
-
Региональной конференции по физике (г. Владивосток, 2004 г.);
-
Всероссийской конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в 21 веке» (г. Хабаровск, 2005 г.);
-
XI Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ВНКСФ-11 (г. Екатеринбург, 2005 г.);
-
Региональной конференции по физике (г. Владивосток, 2005 г.);
-
XII Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ВНКСФ-12 (г. Новосибирск, 2006 г.);
-
Четвертой международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики «ФПО-2006» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.);
-
Пятой международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики «ФПО-2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.);
-
XI краевом конкурсе молодых ученых «Наука - Хабаровскому краю» (г. Хабаровск, 2009 г.);
-
Всероссийской конференции «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в 21 веке» (г. Хабаровск, 2010 г.);
-
Шестой международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики «ФПО-2010» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);
-
Восьмой международной конференции «ГОЛОЭКСПО-2011» (г. Минск, Респ. Беларусь, 2011 г.).
По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации для соискания ученой степени кандидата наук, 1 патент на изобретение.
Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, самостоятельно провел численное моделирование. Определяющим был вклад автора в постановку задач, обработку и анализ результатов.
Первоначально азтор работал под руководством д.ф.-м.н. И.Ю. Просанова (2001-2007 годы), затем - под руководством к.ф.-м.н. А.В. Сюя.
Работы по исследованию спектров диффузного отражения, а также исследования методом инфракрасной спектроскопии проводились автором совместно с сотрудниками в НИИ физики им. В.А. Фока СПбГУ (г. Санкт-Петербург). Исследования методом просвечивающей электронной микроскопии проводились автором совместно с сотрудниками в институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск). Исследования методом растровой электронной микроскопии проводились автором совместно с сотрудниками в институте водных и экологических проблем ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск). Исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии проводились автором совместно с сотрудниками в институте химии ДВО РАН (г. Владивосток). Исследования методом атомно-силовой микроскопии проводились автором совместно с сотрудниками в институте автоматики и процессов управления ДВО РАН (г. Владивосток). Рентгенофазовый анализ композиции ITBC-ZnO-BiCb проводился автором совместно с к.ф.-м.н. В.Н. Бруем в институте материаловедения ХНЦ ДВО РАН (г. Хабаровск).
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
