Реферат циклу робіт  створення матеріалів з новими властивостями шляхом формування твердих розчинів bi-Sb та штучних клатратних систем с



Дата конвертації09.09.2018
Розмір54 Kb.
ТипРеферат



Національний технічний університет

”Харківський політехнічний інститут”

Реферат циклу робіт
СТВОРЕННЯ МАТЕРІАЛІВ З НОВИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ ШЛЯХОМ ФОРМУВАННЯ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ Bi-Sb ТА ШТУЧНИХ КЛАТРАТНИХ СИСТЕМ С60-Bi

який подається на здобуття премії Президента України

для молодих вчених

Дроздова Ганна Анатоліївна, к. ф. – м .н, молодший науковий співробітник кафедри теоретичної та експериментальної фізики, Національний технічний університет ”Харківський політехнічний інститут”;
Дроздов Антон Миколайович, к. ф. – м .н,, науковий співробітник кафедри фізики металів та напівпровідників, Національний технічний університет ”Харківський політехнічний інститут”.

Запропонований цикл робіт Створення матеріалів з новими властивостями шляхом формування твердих розчинів Bi-Sb та штучних клатратних систем С60-Bi присвячено одержанню нових відомостей про структуру і фізичні властивості полікристалічних твердих розчинів Bi–Sb, важливих з точки зору практичних застосувань в термоелектричній енергетиці і кріогеніці та встановленню фізичних закономірностей формування одно- і двокомпонентних плівок системи С60 – Bi й визначенню фізичної суті процесів, що протікають в них, за наявності в осаджуваних потоках іонів металу підвищеної енергії з метою розробки науково-технічних рекомендацій для створення нового класу штучних матеріалів з наперед заданими властивостями.

Потреба в автономних і малогабаритних джерелах енергії у зв’язку з мініатюризацією радіоелектронної і комп’ютерної апаратури безперервно збільшується. Крім термоелектричних генераторних пристроїв, невід’ємною складовою частиною термоелектричного приладобудування є розробка термоелектричних охолоджувачів, найважливішою перевагою яких є абсолютна екологічна чистота.

Застосування термоелектричних пристроїв для цілей охолодження обмежується відносно низькими значеннями коефіцієнтів корисної дії, що в значній мірі пов’язане з низькою ефективністю перетворювання традиційних термоелектричних матеріалів. Тому підвищення термоелектричної добротності матеріалів, яка характеризується безрозмірним параметром ZT = S2 s/l, де S – коефіцієнт термо-е.р.с., s - електропровідність і l - теплопровідність, є основною проблемою під час створення термоелектричних перетворювачів енергії.

Відомо, що одним із основних методів керування властивостями термоелектричних матеріалів є створення твердих розчинів.

Тверді розчини Bi-Sb, утворені напівметалами вісмутом і сурмою, – високоефективні матеріали для термоелектричних і магнітотермоелектричних перетворювачів енергії в області температур  200 К. З іншого боку – це надзвичайно зручні об’єкти фізики твердого тіла, які мають вельми своєрідний енергетичний спектр, структура якого легко змінюється під впливом різноманітних факторів – зміни складу, впливу тиску, температури, магнітного поля, домішок, завдяки чому можливо створити такі експериментальні умови, які для інших речовин недосяжні.



Відомо, що збільшення концентрації Sb до ~ 3 ат.% приводить до реалізації безщілинного стану. Різке зменшення ефективних мас і зростання рухливості носіїв заряду, що супроводжують перехід у безщілинний стан, визначають інтерес до нього з точки зору практичних застосувань, наприклад, у термоелектриці та оптоелектроніці. У роботах Брандта М.Б. із співробітниками перехід у безщілинний стан спостерігався під час дії магнітного поля або тиску на напівпровідникові сплави, але дослідження цього переходу шляхом зміни складу практично відсутні, що пояснюється труднощами, які виникають внаслідок наявності перекриття зон у напівметалевому стані. Тверді розчини Bi–Sb у напівпровідниковій області (7-22 ат.% Sb) - перспективні матеріали для термоелектричних охолоджувачів за температур нижче ~ 200 К. Саме тому ці сплави досліджувались значно більше, ніж напівметалеві, хоча останнім відповідають максимальні значення термомагнітної ефективності. Основна частина робіт по дослідженню твердих розчинів Bi–Sb присвячена вивченню властивостей монокристалів. Але більш низькі у порівнянні з монокристалами значення теплопровідності у поєднанні з більш високою механічною міцністю і технологічною простотою та економічністю приготування полікристалів відповідають вимогам до термоелектричних матеріалів, що привертає увагу до дослідження термоелектричних властивостей твердих розчинів Bi–Sb у полікристалічному стані. Все сказане визначило напрямок проведених досліджень властивостей твердих розчинів Bi–Sb, актуальність яких не має сумніву.

Слід зазначити, що формування твердих розчинів є дуже потужним способом модифікування властивостей матеріалів. Проте цей спосіб має природні обмеження, пов’язані з відсутністю розчинності деяких пар компонентів одне в іншому та неможливістю керувати структурою домішкової підсистеми. В зв’язку з цим останнім часом увагу багатьох дослідників приділено пошуку нових шляхів для створення матеріалів з наперед заданими властивостями. Важливе значення при цьому має можливість поєднувати будь які компоненти та керувати їхньою структурою. Одним з таких шляхів є створення клатратних або інших систем, в яких розташування атомів одного із компонентів задається штучним чином шляхом заповнення певних порожнин, утворених атомами, молекулами або кластерами з іншого компоненту-матриці. Саме тому з появою нової молекулярної форми вуглецю – фуллерену став інтенсивно розвиватися напрямок, пов’язаний з синтезом та дослідженням властивостей металофуллеренів, особливо інтеркалятів, у структурі яких атоми металу під час заповнення порожнин кристалічної ґратки фуллериту формують впо­рядковані структури, невластиві даній речовині в чистому вигляді. Металофуллерени з таким розташуванням атомів домішки – це новий клас штучних об’єктів, які можуть проявляти унікальні фізичні властивості. Більшість відомих фуллеридів було виготовлено із застосуванням методів сумісного осадження термічно випарених потоків компонентів. Проте на сьогоднішній день у світовій літературі відсутні достовірні відомості щодо створення таким способом металофуллеренових клатратів на основі перехідних металів (Bi, Sb, In), які не утворюють хімічних сполук з фуллереном. Щодо можливості легування фуллериту атомами перехідних металів найбільш перспективними є іонно-плазмові методи, які відзначаються більш широкими можливостями модифікування структури та властивостей фуллериту. Їх застосування дає можливість здійснити імплантацію іонів у фуллерит із досягненням концентрації легуючих компонентів, що перевищує рівноважну межу їх розчинності, призводити до формування ендоедральних комплексів Ме@С60, викликати полімеризацію або фрагментацію молекул С60 і активувати низку інших складних процесів, протікання яких неможливе при термічних енергіях осаджуваних часток. Але на сьогоднішній день експериментальні дані щодо взаємодії прискорених іонів з фуллеритом носять достатньо розрізнений характер, що не дає можливості виробити критерії вибору параметрів іонного опромінення фуллериту для його цілеспрямованої модифікації. Експериментальне дослідження та кількісний опис процесів, які виникають у фуллериті під впливом термодинамічних та кінетичних чинників, вимагають також уточнення даних щодо параметрів сублімації чистого фуллерену, оскільки значення тиску насиченої пари, що наводяться в літературі, достатньо суперечливі і часто є лише результатом усереднення різних експериментальних даних. Різномаїття структур, які можуть утворюватися під впливом іонного бомбардування фуллериту, потребує їх однозначної ідентифікації з використанням рентґенівських методів дослідження. Зокрема, для металофуллеренових клатратів першочерговою задачею є визначення концентрації металевої домішки в них та встановлення типу порожнин кристалу фуллериту, які переважно заповнюються атомами допуючого елементу, оскільки саме структурою металевої підсистеми повинні визначатися властивості таких об’єктів. Проте, аналіз літератури показує, що специфіка формування дифракційних картин від легованих фуллеритів в даний час ще недостатньо вивчена і потребує детальнішого аналізу.

Достовірність одержаних результатів запропонованого циклу робіт забезпечена високим методичним рівнем експериментальних досліджень та застосуванням сучасних різноманітних фізичних методів дослідження.

Для твердих розчинів Bi–Sb вперше на залежностях властивостей від складу в інтервалі  2.5 – 3.5 ат.% Sb виявлено концентраційні аномалії властивостей, які розглядаються, як прояв критичних явищ, які супроводжують електронний фазовий перехід у безщілинний стан. Висловлено припущення, що перехід у безщілинний стан супроводжується процесами упорядкування домішкових атомів сурми.

Вперше для твердих розчинів Bi–Sb в інтервалі 0.5 – 1.5 ат.% Sb на ізотермах механічних, акустичних, електрофізичних, гальваномагнітних і термоелектричних властивостей спостережено аномалії, наявність яких пов’язується з концентраційними фазовими переходами перколяційного типу, які супроводжують перехід від розбавлених до концентрованих твердих розчинів.

В інтервалі складів 6 – 8 ат.% Sb шляхом дослідження концентраційних залежностей кінетичних властивостей підтверджено наявність фазового переходу напівметал – напівпровідник,

У напівметалевій області твердих розчинів Bi–Sb спостережено різке зростання термоелектричної потужності в межах концентрацій 2.5 – 3.5 ат.% Sb, що відповідають фазовому переходу у безщілинний стан. Максимальні значення P  (120  5)10-4 Вт/(мК2) за температури 100 К досягаються після відпалу литих полікристалів впродовж 1200 годин.

Встановлено, що концентраційні інтервали твердого розчину Bi–Sb, за яких спостерігаються особливі ділянки на залежностях властивостей від складу, практично співпадають для електронних і структурно чутливих властивостей і не залежать від температури (77 – 300 К), магнітного поля (0.1 – 1.0 Тл) і технології виготовлення зразків (литі та пресовані).

Наявність концентраційних аномалій властивостей слід приймати до уваги при дослідженні, прогнозуванні та оптимізації термоелектричних параметрів твердих розчинів Bi–Sb.

Шляхом вимірювання швидкості випаровування плівок С60 безпосередньо після їх конденсації одержано температурну залежність тиску насиченої пари фуллериту в інтервалі температур 250 С–290 С. Встановлено, що швидкість сублімації фуллерена, який не піддавався впливу чинників навколишнього середовища (атмосферний кисень, ультрафіолетове опромінення), істотно вища за значення, що наведені в літературних джерелах.

Виходячи з модельних уявлень про багаточастинковий характер взаємодії атомів мішені з бомбардуючими іонами, в основі яких лежить обмеження на величину швидкості первинної частинки, запропоновано критерій реалізації парного режиму зіткнень налітаючих іонів з молекулою фуллерену, який дає можливість обґрунтовано обирати сорт і інтервали енергій бом­бардуючих частинок для збудження в фуллериті тих чи інших домінуючих процесів. Вперше виявлено, що опромінення фуллеритової мішені іонами вісмуту в режимі парних зіткнень іонів з молекулами С60 викликає значну ерозію фуллериту внаслідок суперпозиції термічноактивованих процесів випаровування і радіаційно-прискореної сублімації молекул С60.



Вперше встановлено закономірності формування дифракційних картин кристалами металофуллеренових клатратів. Показано, що наявність домішки в порожнинах кристалічної ґратки фуллерита приводить до істотного перерозподілу інтенсивностей рентгенівських ліній, величина співвідношення яких визначається значенням параметра ґратки, типом сформованої структури фуллериду і коефіцієнтом заповнення порожнин кристала атомами металу.

Одержані результаті дають можливість встановити деякі загальні закономірності, притаманні твердим розчинам, можуть бути використані для контрольованої зміни властивостей твердих розчинів Bi–Sb з метою одержання матеріалів із оптимальними електрофізичними, гальваномагнітними, термоелектричними і механічними характеристиками для практичного використання у твердотільних низькотемпературних охолоджувачах. Результати дослідження процесів, що протікають у фуллериті під час його опромінення потоком низькоенергетичних іонів вісмуту, а також виявлені особливості конденсації одно- і двокомпонентних потоків сублімованих молекул фуллерену та прискорених іонів металу можуть бути використані при розробці науково-технічних рекомендацій для здійснення цілеспрямованої модифікації фуллериту і синтезу нових матеріалів на його основі іонноплазмовими методами. Встановлені закономірності формування дифракційних картин кристалами легованих фуллеритів можуть лягти в основу методики якісного та кількісного рентгеноструктурного аналізу металофуллеренових клатратів.
Каталог: sites -> default -> files
files -> Положення про порядок підготовки фахівців ступенів доктора філософії та доктора наук в аспірантурі (ад’юнктурі) та докторантурі вищих навчальних закладів
files -> Відділ аспірантури та докторантури Уманського державного педагогічного університету імені Павла Тичини
files -> Київський національний університет імені Тараса Шевченка
files -> Програма вступного іспиту до аспірантури зі спеціальності 22. 00. 03 соціальні структури та соціальні відносини Затверджено
files -> Культура Античності. Культура Давньої Греції
files -> Системотехнічні засади та інструментально-програмні засоби створення та підтримки цифрових словників сидорчук надія Миколаївна
files -> Міністерство освіти І науки україни державний економіко-технологічний університет транспорту
files -> Конспект лекцій для студентів усіх спеціальностей освітньо-кваліфікаційних рівнів «спеціаліст»,
files -> Конструкції для енергоефективного відновлення забудови, постраждалої від надзвичайних ситуацій


Поділіться з Вашими друзьями:




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка