Введение к работе
r''(.v.i.-!/.i:'-,\:; І
' ^иьлІюі'і'ка''^ і
Актуальность темы '
Развитие наукоёмких областей оптоэлектроники требует скрупулёзного исследования новых материалов, в том числе - наноструктурированных, а также применения современных методов их исследования. Однако, изучение новых композиций и методов их тестирования невозможно без чёткой взаимосвязи с некоторыми наработками и накопленными знаниями в предыдущие годы. Поэтому не случайно одним из начальных этапов появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 году электронного микроскопа. Только после этого стало возможным изучать объекты субмикронных и нанометровых размеров. Следующий шаг, сделанный в 1981 году Г. Биннигом и Г. Рорером, связан с созданием сканирующего туннельного микроскопа, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. В 1981 году американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Он сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил её в серии работ 1981-1986 годах, ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах, как основе для изменения свойств самих тел.
Одним из важнейших событий в истории нанотехнологий и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х - начале 90-х годов XX века наноструктур углерода — фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.
Так как в нанообъектах число поверхностных атомов резко возрастает, то
их вклад в свойства нанообъекта становится определяющим и растет с
дальнейшим уменьшением размера объекта. Именно это и является одной из
причин проявления новых свойств на наноуровне. Другой причиной
обсуждаемого изменения свойств является то, что на этом размерном уровне
начинает уже проявляться действие законов квантовой механики, т. е. уровень
наноразмеров — это уровень перехода, именно перехода, от классической
механики к механике квантовой, то есть, это - переходные состояния. Итак, в
определениях нанонауки, нанотехнологий, нанообъектов наиболее
существенным является появление новых свойств веществ, в том числе, оптических, связанных с переходом к наноразмерным масштабам и
отличающихся от свойств объемных материалов. То есть существенным и важным становится сам процесс наноструктурирования, позволяющий модифицировать свойства материалов, в том числе - их оптические параметры, причём, стоит повторить, это - принципиально новые свойства, не проявляющиеся в другом размерном диапазоне, что определяет своевременность и актуальность темы.
Для исследований в данной теме были выбраны следующие кристаллические оптические материалы УФ и ИК-диапазонов спектра:
- Стратегические материалы, такие как CaF2 MgF2, BaF2, используемые в
самолётостроении, космической области, лазерной технике, др., которые требуют
многочисленных исследований физико-химических параметров как объёма, так и
поверхности, для дальнейших внедрений в военно-космической отрасли.
- Оптические материалы КВг, NaCI, используемые для ИК-Фурье
спектроскопии, требующие глубоких исследовательских работ по их
влагостойкости и прочностным характеристикам.
Цели диссертационной работы
Целью работы является изучение, с применением методов Фурье-спектроскопии, влияния процесса наноструктурирования на спектральные свойства, в том числе, спектр пропускания и потери Френеля таких оптических материалов, как фториды магния, бария, кальция, бромид калия, др.; установление и изучение наличия корреляции между изменением спектральных и прочностных свойств неорганических материалов выбранной группы при условии структурирования их поверхности углеродными нанотрубками.
При этом, стоит сказать, что один из информативных методов изучения оптических свойств материалов, в том числе, - наноструктурных - это метод Фурье спектроскопии. Именно этот метод, в силу возможности качественной оценки параметров наноструктурированных образцов на различных длинах волн, и применён в данной диссертационной работе.
В данном направлении проведена работа и реализована схема измерения спектров отражения «мягких» материалов УФ и ИК-диапазона; теоретически рассчитаны значения возможных потерь Френеля у наноструктурированных материалов и проведено сравнение с экспериментально полученными данными; экспериментально установлено увеличение микротвёрдости большой группы «мягких» материалов УФ и ИК-диапазона при структурировании их поверхности углеродными нанотрубками; экспериментально установлено увеличение
абразивной прочности (прочности на истирание) большой группы «мягких» материалов УФ и ИК-диапазона при структурировании их поверхности углеродными нанотрубками; найдена и изучена корреляция между изменением спектральных и прочностных параметров в исследованных органических материалах с нанообъектами; при анализе результатов исследования и составлении сравнительных таблиц по прочностным и спектральным характеристикам для чистых и наноструктурированных материалов показаны перспективы использования углеродных нанообъектов, в частности, углеродных нанотрубок, для оптимизации микротвёрдости, абразивной прочности, спектра пропускания и отражения материалов УФ и ИК-диапазонов спектра; экспериментально изучено изменение спектров пропускания ряда материалов при влиянии влажной атмосферы (55% относительной влажности и 25С). Научная новизна
Все перечисленные выше результаты являются новыми. При проведении настоящей работы впервые для большой группы стратегических «мягких» материалов УФ и ИК-диапазона показана возможность оптимизации их свойств при использовании лазерного метода осаждения ориентированных в электрическом поле углеродных нанообъектов, в качестве которых были выбраны одно- и многостенные углеродные нанотрубки, смеси нанотрубок и нановолокон. Установлено увеличение пропускания на ряде рабочих длинах волн конкретных изучаемых систем, выявлено изменение потерь Френеля и проведено сравнение экспериментально получаемых результатов с теоретическими рассчитанными данными; установлена и изучена корреляция между оптическими и прочностными свойствами; рассмотрен процесс влияния влажной атмосферы на спектральные характеристики.
Кроме этого, в настоящей работе впервые сделан анализ перспективности использования именно одностенных углеродных нанотрубок в силу их прогнозируемой ориентации и высоких прочностных параметров. Кроме вышеперечисленного, в данной работе существенно расширена, за счет составления сравнительных таблиц по обработке результатов, база данных по влиянию углеродных нанообъектов на спектральные и прочностные характеристики материалов.
Практическая ценность
Результаты настоящей работы имеют практическую ценность в следующих направлениях:
1. Применение методов наноструктурирования поверхности «мягких»
материалов УФ и ИК-диапазонов полезно для повышения прочности защитных
элементов обтекателей ракет, выходных окон устройств УФ и ИК-диапазона,
экранов дисплеев и медицинских приборов.
2. Применение методов наноструктурирования поверхности «мягких»
материалов УФ и ИК-диапазонов может быть востребовано при защите
фоточувствительных элементов оптоэлектронных устройств от проникновения
влаги, пыли, различных примесей.
3. Применение методов наноструктурирования полезно для повышения
пропускания излучения и снижения потерь на отражение на рабочих длинах волн
конкретных используемых неорганических матриц.
Защищаемые положения
-
Структурирование углеродными нанотрубками поверхности таких материалов, как MgF3, BaF2, CaF2, KBr, NaCl, приводит к увеличению пропускания в УФ-диапазоне до 5-10%, и увеличению пропускания в ИК-области на длинах волн 3000-25000 нм на 1-3%.
-
Структурирование углеродными нанотрубками поверхности таких материалов, как MgF2, BaFi, CaF2, KBr, NaCl, приводит к увеличению микротвёрдости соответственно на 6, 12, 10, 10, 8%, и поверхностной абразивной прочности от 2 до 10 раз, для указанной группы материалов, что обусловлено высокими прочностными характеристиками углеродных нанотрубок и их ковалентной «привязкой» к границе раздела сред.
-
Структурирование углеродными нанотрубками поверхности таких материалов, как MgF2, BaF2, CaF2, KBr, приводит к уменьшению отражения до 2-3% в области спектра 16000-22000 нм.
-
При влиянии влажной атмосферы (относительная влажность -55%, 25С), при структурировании углеродными нанотрубками всех поверхностей таких материалов, как KBr, NaCl, установлено изменение пропускания на 10% меньшее, чем у необработанных систем, в области длин волн 1500-20000 нм, что обусловлено двухслойным защитным покрытием из нанотрубок.
-
Установлена и изучена корреляция между изменением спектральных и прочностных параметров таких материалов, как MgF2, BaF2, CaF2, KBr, NaCl, поскольку энергии разрыва ковалентных связей в этих материалах, по
параметру величины, близки к таковой у модельного фторида магния, ~250 кДж/моль, а данные по упругим параметрам нанотрубок - аналогичны.
Апробация
Основные положения диссертации докладывались на различных международных и отечественных конференциях, таких как: международном молодежном форуме «Будущее авиации за молодой Россией» (2011, 2012, Рыбинск, Жуковский, Москва), на международной материаловедческой конференции серии YUCOMAT (Herceg-Novi, 2011, 2012), на VI международной оптическом конгрессе «Оптика-XXI век» VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (С-Пб, Россия, 2010), на 1-й конференции молодых ученых «Будущее оптики-2012» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин из Санкт-Петербурга и Ленинградской области, СПб, ФГУП «НПК «ГОИ им.С.И.Вавилова», 2-4 апреля 2012.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 7 печатных работ; 2 из них - из списка ВАК, 1 - в реферируемом международном журнале, 4 - в сборниках конференций.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений. Список использованной литературы содержит 76 наименований. Текст диссертации содержит 120 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 13 таблиц.
