Импеданс нанопористых оксидов алюминия и титана с адсорбированной водой вблизи фазового перехода вода-лед (1103020)
Текст из файла
На правах рукописиКоролев Федор АнатольевичИМПЕДАНС НАНОПОРИСТЫХ ОКСИДОВАЛЮМИНИЯ И ТИТАНА С АДСОРБИРОВАННОЙВОДОЙ ВБЛИЗИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ВОДА – ЛЕДСпециальность 01.04.07 − физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета Московского государственного университетаим. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Козлов Сергей НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникКазанский Андрей Георгиевичдоктор физико-математических наукпрофессор Волков Александр АлександровичВедущая организация:Институт кристаллографииим. А.В. Шубникова РАНЗащитасостоится«23»апреля2008годав15:30назаседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете им.
М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, Москва,Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, ауд. _____________________.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» марта 2008 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наукТ.В. Лаптинская2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Вода в ограниченных пространственных областяхпривлекает в последние годы все возрастающее внимание исследователей.
Вомногих практически важных ситуациях вода оказывается заключенной в малыеобъемы, например, в пористых материалах, в биологических объектах (вклетках, макромолекулах), мембранах топливных элементов. Установлено, чтоструктура и динамика воды в ограниченном пространстве претерпеваютсущественные изменения по сравнению с «объемной» водой, что проявляется, вчастности, в процессах электрического транспорта.
Системы с протоннымтранспортом привлекают внимание из-за аномально высокой подвижностипротонов, сопоставимой с подвижностью электронов в твердых телах. Этопозволяетлегковыявлятьпротоннуюпроводимостьнизкоразмерныхфрагментов воды на фоне электронной проводимости твердотельной матрицы,особенно в пористых оксидных полупроводниках с низкой электроннойподвижностью. Причиной высокой подвижности протонов в воде является то,что для передачи протона от одной молекулы воды к другой в жидкой водезатрачивается лишь небольшая энергия (~ 0,1 эВ) на обрыв водородных связейво второй гидратной оболочке комплекса Н3О+.Адсорбция воды вызывает существенные изменения электрофизическихсвойств пористых матриц. Так, при изменении относительной влажности от 10до 100% сопротивление пористых слоев оксидов алюминия (por-Al2O3) и титана(por-TiO2) уменьшается на 2 – 3 порядка, за счет роста ионной проводимости, аемкость увеличивается благодаря высокому значению диэлектрическойпроницаемости воды.
Этот факт позволяет применять данные материалы вкачестве базовых для создания высокочувствительных сенсоров влажности.Имеются и другие перспективы практического использования устройств,включающих в качестве активных элементов молекулы воды. Некоторые изтаких устройств уже реализованы – например, протонные мембраны топливныхэлементов, полимерные электролиты, важную роль протонный транспорт3играет в биоэнергетике. Поэтому исследование электрофизических свойствсистем нанопористая твердотельная матрица – адсорбированная вода являетсявесьма актуальной задачей.Помимоматрицыпрактическихявляютсяприменений,удобныминанопористыемодельнымиобъектамитвердотельныедляизученияфундаментальных свойств веществ в диспергированном состоянии, в частностипроцессов плавления и кристаллизации низкоразмерных фрагментов воды.Понижениетемпературплавленияикристаллизациинизкоразмерныхфрагментов воды является хорошо известным явлением, которое широкоизучалосьметодамикалориметрии,ядерногомагнитногорезонанса,нейтронной и рентгеновской дифракции и др.
Вместе с тем, в литературеимеются лишь фрагментарные данные об электрическом транспорте системыпористая матрица – адсорбированная вода в области температур вблизифазового перехода вода – лед, когда условия переноса протонов по системеводородно-связанных молекул воды сильно изменяются.Исследование электрических свойств системы пористый металлическийоксид – адсорбированная вода на переменном токе может дать более полноепредставление об электрофизических свойствах таких систем, в частности,позволит выяснить роль протонного переноса в общем электрическомтранспорте этой сложной системы. Также может быть предложен новыйпростой, неразрушающий метод регистрации фазового перехода вода – лед,основанный на изучении импеданса системы пористый оксид – вода.Существенно, что такие измерения могут быть проведены на микроразмерныхучастках пористых пленок.Цель работы – исследование особенностей зарядового транспорта впористом оксиде алюминия и пористом диоксиде титана с адсорбированнойводой в области температур вблизи фазового перехода вода – лед, а такжеразработкаспособоврегистрациифазовогопереходавода–ледвнизкоразмерных фрагментах воды, заключенных в нанопоры окисныхполупроводников методом импедансной спектроскопии.4В работе были поставлены следующие задачи:1.Исследовать изменения импеданса пористого оксида алюминия ипористого диоксида титана в процессах адсорбции и десорбции паровводы.2.Определитьэлектрическуюэквивалентнуюсхему,описывающуюэлектрический транспорт структур por-Al2O3–H2O и por-TiO2–H2O висследованном диапазоне температур и частот.
Выделить элементы вэквивалентной схеме, ответственные за электрическое поведение «объема»пористых слоев с адсорбированными молекулами воды и контактов.3.Провести исследование влияния типа пористой матрицы и размеров пор напроцессытранспортапротоновповоде,заключеннойвпорытвердотельной матрицы.4.Провести комплексный анализ изменения механизмов электропереноса впористых оксидах алюминия и титана с адсорбированной водой вдиапазоне температур вблизи фазового перехода вода – лед.Научная новизна работы1.Впервые проведен комплексный анализ изменения параметров протонноготранспорта по адсорбированной в нанопористых оксидах алюминия ититана воде в области температур вблизи фазового перехода вода – лед.2.Впервые зафиксировано резкое изменение действительной и мнимойсоставляющих импеданса системы por-Al2O3–H2O при температурахвблизи фазового перехода вода – лед.3.Обнаружено значительное изменение энергии активации протонноготранспорта по воде, заключенной в нанопористую матрицу, при фазовомпереходе вода – лед.Положения, выносимые на защиту1.Впервые проведенный комплексный анализ параметров, ответственных запротонный транспорт по адсорбированной в нанопористых матрицах водев области температур вблизи фазового перехода вода – лед.52.Новыеданныеобизмененииимпедансаводы,заключеннойвмикрокапилляры пористого оксида алюминия и пористого диоксида титанапри фазовом переходе вода – лед.3.Новые данные по изменению энергии активации протонного транспорта поводе, заключенной в нанопористые оксид алюминия и диоксид титана, прифазовом переходе вода – лед.Апробация работыМатериалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [1-10] идокладывались на следующих конференциях:X Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученыхпо фундаментальным наукам «Ломоносов – 2003», Москва, 2003;4-thInternationalConference«Poroussemiconductors–scienceandtechnology», Cullera-Valencia, Spain, 2004;Научные конференции «Ломоносовские чтения – 2004» и «Ломоносовскиечтения – 2007», Москва, 2004, 2007;X Международная конференция «Физика диэлектриков (диэлектрики –2004)», Санкт-Петербург, 2004;15-th IEEE International Conference on Dielectric Liquids «IEEE ICDL – 2005»,Coimbra, Portugal, 2005;3-rd International Conference on Materials Science and Condensed MatterPhysics «MSCMP – 2006», Chisinau, Moldova, 2006.Практическая ценность работы состоит в новом предложенном методерегистрации фазового перехода вода – лед по данным импеданснойспектроскопии воды, заключенной в нанопористую твердотельную матрицу.Преимущество метода состоит в его технической простоте и в том, что он непредъявляет специальных требований к размерам и конфигурации исследуемыхобразцов.Помимоэтого,информацияовлияниипаровводынаэлектрофизические характеристики пористых оксидов алюминия и титанаможет оказаться полезной для создания сенсоров влажности на основе этихматериалов.6Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения и списка цитируемой литературы из 197 наименований. Общийобъем работы составляет 136 страниц машинописного текста, включая 63рисунка и 5 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель изадачи исследований, показана научная новизна полученных результатов и ихпрактическаяценность,изложеныосновныезащищаемыеположениядиссертации.Первая глава является обзором литературы по теме диссертационнойработы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
