Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время активно проводятся исследования химических и физических свойств наноструктур, направленные на развитие представлений о низкоразмерном состоянии вещества. Отметим, что физико-химические свойства оксидных наноструктур (особенно нанослоев) с размерами 1 - 100 нм изучены недостаточно полно в силу трудностей в организации воспроизводимого синтеза таких нанообъектов.
Объектом исследования являлся диоксид ванадия, испытывающий фазовый переход полупроводник-металл (ФППМ) при 340 К, который сопровождается резким изменением его физических и физико-химических свойств.
Наибольший интерес сегодня вызывают наноструктурированные пленки и ультрадисиерсные порошки диоксида ванадия. В результате ряда исследований по изменению электрических и оптических свойств показано, что для наноструктурированных пленок V02 (от 5 до 200 нм) температура ФП находится в районе 320 К. Путем допирования ионами 3d-элементов можно снизить температуру ФП до 300 К. Данные о магнитных свойствах наноструктурированного диоксида ванадия на настоящий момент практически отсутствуют.
Актуальность работы определяется необходимостью изучения влияния размеров исследуемых структур диоксида ванадия (размерного эффекта) на характеристики ФП. В качестве способа исследования выбрано изучение магнитных и электрических свойств наноструктурированного диоксида ванадия на поверхности кремнезема и кремния.
Настоящая работа являлась частью исследований, выполнявшихся по гранту РФФИ № 08-03-00199 и 0120.0503097. Работа была поддержана Конкурсным Центром Фундаментального Естествознания в 2005 и 2006 гг. и стипендией Президента РФ, 2008 г.
Цель и задачи работы. Целью данной работы являлось получение наноструктурированного диоксида ванадия на поверхности кремнезема и кремния, исследование его магнитных и электрических свойств и изучение влияния размерного эффекта на физические и физико-химические свойства нанообъектов. Для её достижения было необходимо: синтезировать наночастицы (нанокристаллы) и нанослои V02 на поверхности двух матриц различного строения - пористого кремнезема (SiOj) и монокристаллического кремния (Si); исследовать магнитные и электрические свойств полученных образцов; изучить влияние химического состава и морфологии структур на характеристики ФП.
Поставленные задачи решались с помощью комплекса химических,
физических и физико-химических методов (метод молекулярного
наслаивания (МН), фотоколориметрического, рентгенофазового анализа
(РФА). рентгеновского микроанализа (РМА), атомно-силовой
микроскопии (АСМ), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ),
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), магнитной
восприимчивости, импсдансной спектроскопии, ёмкостной
спектроскопии).
Научная новизна работы.
Методом молекулярного наслаивания проведен синтез наноструктур диоксида ванадия на поверхности дисперсного кремнезема в зависимости от числа циклов поверхностных реакций, количества функциональных групп (ФГ) и изучены их магнитные свойства.
По данным магнитной восприимчивости обнаружено наличие в этих наноструктурах фазового перехода полупроводник - металл в интервале 100-240 К в зависимости от их химического состава. Температура ФППМ меньше, чем массивном диоксиде ванадия (340 К). Обнаружено ориентирующее влияние подложки на электронную структуру \'4+—О групп.
Впервые методом МН получены трехмерные наноструктуры (нанокристаллы) диоксида ванадия на поверхности кремния. Комплексом независимых методов (импедансной и ёмкостной спектроскопии, магнитной восприимчивости) показано наличие ФППМ в нанокристаллах V02 на поверхности кремния при температуре ~150 К, меньшей, чем в массивном веществе (340 К).
На основании проведенных исследований наноструктурированного V02 различной морфологии на поверхности кремнезема и кремния установлено, что для всех образцов наблюдаются изменения магнитных и электрических свойств, вызванные фазовым переходом в исследуемых наноструктурах. Уменьшение температуры перехода отражает влияние размерного эффекта на свойства вещества.
Практическая значимость работы. Разработана методика синтеза методом МН наноструктурированного диоксида ванадия воспроизводимого состава и морфологии на поверхности кремнезема и кремния. Обнаруженное влияние размерного эффекта, химического состава и морфологии нанообъектов на характеристики ФППМ открывает новые возможности для использования структур на основе VOi пля нанотехнологии в качестве термодагчиков и термопереключателей.
Основные положения, выносимые па защиту:
Методика синтеза наноструктур диоксида ванадия воспроизводимого состава и морфологам на поверхности кремния и дисперсного кремнезема методом молекулярного наслаивания и экспериментально установленные условия синтеза;
Результаты исследования магнитных свойств наноструктур на основе диоксида ванадия на поверхности кремнезема;
Результаты исследования магнитных и электрических свойств трехмерных наноструктур диоксида ванадия на поверхности кремния;
Наличие фазового перехода полупроводник-металл в полученных структурах при меньшей, чем в массивном диоксиде ванадия, температуре.
Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статьей и 6 тезисов докладов. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, были представлены на следующих конференциях: VII Всероссийской конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Москва, 2005), International Symposium on Molecular Photonics (Санкт-Петербург, 2006), 24th European Conference on Surface Science (Париж, 2006), 3-ей Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт-Петербург, 2006), 1-ой международной научной конференции "Наноструктурные материалы-2008: Беларусь-Россия-Украина" (Минск, 2008), Всероссийской научной конференции "Химия твердого тела и функциональные материалы-2008" (Екатеринбург, 2008).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 150 страниц, включает 71 рисунок и 27 таблиц. Библиография содержит 142 наименования.
