Введение к работе
Актуальность темы
На кафедре физической и аналитической химии РГПУ им. А.И. Герцена разработаны способы получения пористых стекол (ПС) в виде мембран с радиусами сквозных каналов, уверенно регулируемыми в интервале r = 4–100 нм. Развитые пористая структура и удельная поверхность ПС позволяют синтезировать в них наноразмерные формы различных соединений в количествах, достаточных для экспериментального изучения. На этой основе проведен широкий круг исследований размерно-зависимых оптических свойств веществ, капсулированных в ПС. Вместе с тем, возможности применения ПС в качестве сред с целью формирования в них наноструктур с заданными электрическими свойствами до сих пор практически не изучены.
На основе оксидов переходных металлов получен широкий круг уникальных материалов – от диэлектриков до высокотемпературных сверхпроводников. В ходе интенсивного развития химии и физики наноразмерных функциональных элементов и устройств электронной техники возникает задача направленного синтеза и исследования особых свойств систем, не имеющих сформированной зонной структуры. Принципиальный интерес при этом представляют специфика обмена и переноса электронов в случае малого числа структурных единиц (1015–1016 ед/см2), слагающих оксиды d–элементов, на начальной стадии заполнения ими поверхности типичных диэлектрических носителей. Определение характера изменения электрической проводимости, имея самостоятельное значение, призвано прояснить вопрос о форме существования и размерных особенностях поведения оксидов, нанесенных на поверхность ПС.
Настоящая работа является частью исследований, выполняемых по плану НИР РГПУ им. А.И. Герцена в рамках основного научного направления № 17 «Физическая химия конденсированных сред и их поверхностей» и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт 02.740.11.-0544).
Цель исследования заключалась в разработке метода синтеза оксидных наноструктур двухвалентных меди, никеля и кобальта в пористом стекле и исследовании влияния концентрационного и размерного факторов на строение и электрическую проводимость рядов полученных соединений.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
синтезировать ряды образцов систем CuO/ПС, NiO/ПС и CoO/ПС с монотонно возрастающим содержанием оксидов в поровом пространстве носителя;
с использованием методов спектроскопии, адсорбции и измерений электрической проводимости выявить концентрационные и размерные особенности изменения структуры и свойств в рядах полученных соединений;
установить влияние условий синтеза на возможность образования наноразмерных оксидных форм планарного и островкового типов строения;
определить влияние химической природы, содержания и структурных особенностей оксидов в ПС на характер электрической проводимости полученных систем.
Научная новизна результатов:
1. Обоснован и реализован оптимальный режим «пошагового» метода синтеза, обеспечивающий распределение заданного количества оксидов в пористом стекле.
2. Общие и индивидуальные особенности оптических и рентгеноэлектронных спектров оксида меди(II) в ПС отражают размерную специфику его закрепленного состояния в наноструктурированном пространстве сквозных каналов носителя.
3. Величина и характер изменения электрической проводимости в режиме циклического наращивания оксидов позволяет судить о формировании наноструктур двумерного и островкового типов строения.
4. Экспериментальные результаты в совокупности с квантово–химическим моделированием кластерных оксидных структур подтверждают преимущественное сопряжение электронов и определяемую им проводимость в системе CuO/ПС.
Теоретическая значимость
Результаты исследования развивают представления о размерных особенностях состояния и свойств гостевых веществ в наноструктурированном пространстве пористых носителей, уточняют условия и механизм переноса заряда в низкоразмерных оксидных структурах и способствуют расширению научных основ синтеза материалов с заданными свойствами.
Практическая ценность результатов
Разработан метод направленного синтеза рядов материалов, обладающих индивидуальными электрическими свойствами. Образцы системы CuO/ПС–70, включающие распределенный медь(II)оксидный монослой, рекомендованы к использованию в качестве чувствительных элементов резистивных датчиков влажности.
На защиту выносятся:
– метод регулируемого пошагового накопления оксидов на поверхности пористых кремнеземных носителей;
– закономерности изменения строения и свойств в рядах соединений систем MeO/ПС;
– подтверждение возможности формирования оксидных монослоев на кремнеземной поверхности;
– экспериментальное и теоретическое обоснование повышенной электрической проводимости низкоразмерных форм оксида меди(II).
Личный вклад автора состоял в отработке условий и осуществлении синтеза рядов соединений систем CuO/ПС, NiO/ПС и CoO/ПС, проведении последующих измерений, обработке и обсуждении полученных результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением в экспериментах надежных аналитических приемов, стандартной измерительной аппаратуры, согласованностью полученных результатов и их сопоставлением со справочными данными и литературными источниками.
Апробация работы
Результаты исследования были представлены на 5 Всероссийской конференции с международным участием «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт-Петербург–Хилово, 2012 г.), VII Международной научной конференции «Кинетика и механизмы кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (Иваново, 2012 г.), III Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.), 60 Всероссийской научно-практической конференции химиков с международным участием «Актуальные проблемы химического и экологического образования» (Санкт-Петербург, 2013 г.).
Публикации по теме диссертации
Основное содержание работы отражено в 7 публикациях, в том числе в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
