Исследование влияния высокоэнергетических процессов в плазме дугового разряда низкого давления на морфологические, магнитные и электрофизические свойства синтезируемых наночастиц CuO и NiO : отчет о НИР
Библиографическое описание:Исследование влияния высокоэнергетических процессов в плазме дугового разряда низкого давления на морфологические, магнитные и электрофизические свойства синтезируемых наночастиц CuO и NiO : отчет о НИР / А. В. Ушаков. - , 2022. - (Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами ; 20-19-00021). - Б. ц. - Текст : непосредственный.
Аннотация:Получены образцы нанопорошков NiO и CuO при различных давлениях газовой смеси, парциальном давлении и температурах осаждения. Кристаллические, морфологические и импедансные свойства были изучены методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, энергоодисперсионной рентгеновской спектроскопии и импедансной спектроскопии.?Показано, что с увеличением температуры подложки при осаждении от 300 до 600 К, также растет размер образующихся наночастиц от 3,2 до 32,7 нм. Частотные зависимости проводимости переменного тока, импеданса, диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь определенные в интервале частот от 50 Гц до 5 МГц демонстрируют размерно зависимое поведение наночастиц NiO. Частицы с размером 12,1 нм показывают отличия в поведении транспортных свойств как от больших, так и от меньших частиц обусловленные объемной долей межчастичных границ.?Исследована проводимость синтезированных образцов наночастиц NiO при постоянном токе (σ) в зависимости от размера частиц и при различных температурах. Важно отметить, что проводимость на постоянном токе у всех образцов намного выше, чем у монокристаллов NiO. Высокая проводимость наночастиц NiO объясняется наличием большого количества вакансий Ni2+ на поверхности частиц. Такие вакансии соответствуют акцепторному уровню в запрещенной зоне вблизи уровня Ферми сразу над локализованной 3d-зоной Ni2+ и широкой 2p-зоной O2−. Присутствие каждой вакансии Ni2+ в решетке приводит к превращению двух соседних ионов Ni2+ в ионы Ni3+ с приобретением зарядовой нейтральности и вызывает искажение решетки.?Установлено, что повышение давления газовой смеси ведет к синтезу наночастиц NiO с принципиально разными электрофизическими свойствами. Образец, синтезированный при давлении газовой смеси 40 Па, имеет нестехиометрический состав (Ni42O58), гранецентрированную кубическую решетку и размер областей когерентного рассеивания (ОКР) 16 нм. Исследование импеданса показали, что частотные зависимости хорошо описываются моделью релаксации Дебая, на низких частотах действительная часть диэлектрической проницаемости составляет 35, термические исследования показали отрицательный температурный коэффициент сопротивления (NTCR). Образец, синтезированный при давлении 180 Па, имеет аморфную структуру, практически стехиометрический состав (Ni48O52). В области низких частот действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости (ДП) достигает 105. Аномалия объясняется образованием двойного электрического слоя вблизи электродов из-за протонно-кислородной проводимости.?Исследованы температурные зависимости проводимости на постоянном токе трех выбранных образцов с размерами частиц 3,2, 17,1 и 64,7 нм. Для образца с наибольшим размером частиц проводимость показывает плато с небольшим наклоном при T < 150 K и довольно линейно увеличивается с увеличением температуры для T > 150 K. Аналогичные результаты получены для других образцов, размер частиц которых превышает 32 нм. Однако температура, при которой линейные кривые переходят в плато, смещается в сторону более низких температур с уменьшением размера частиц. Для образцов с размером частиц <32 нм температурная зависимость проводимости существенно иная; область плато не существует в исследованном диапазоне температур ниже 150 К.?Показаны температурные зависимости изменения проводимости на переменном токе для образца со средним размером частиц 17,1 нм на указанных частотах. Видно, что проводимость увеличивается с увеличением температуры на всех частотах. Это можно интерпретировать как образование большего количества носителей заряда при более высоких температурах, что способствует проводимости на переменном токе. ?Представлены результаты измерения электрофизических характеристик нанопорошка CuO методом импедансной спектроскопии с использованием измерительного датчика на основе встречноштыревой структуры в диапазоне частот от 1 Гц до 100 МГц. Проведено моделирование импедансных спектров эквивалентными электрическими схемами для численного аппроксимирования частотных зависимостей диэлектрической проницаемости и проводимости. Выявлены процессы накопления электрических зарядов на границах наночастиц и вблизи металлических электродов датчика. Показано, что вблизи электродов формируется двойной электрический слой который приводит к появлению аномально больших значений диэлектрической проницаемости и возрастанию проводимости в области низких частот. Полученные результаты объясняются существованием в нанопорошке протонной проводимости из-за адсорбированной на поверхности наночастиц влаги. Показано, что после высокотемпературного отжига нанопорошков CuO накопления электрических зарядов не происходит. Установлено, что в отожженных образцах CuO существует проводимость прыжкового или поляронного типа, которая увеличивается с ростом частоты электрического поля по степенному закону с дробным показателем степени.?Показано, что с увеличением температуры подложки при осаждении от 300 до 600 К, также растет размер образующихся наночастиц от 5,4 до 37,7 нм. Частотные зависимости проводимости переменного тока, диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь определенные в интервале частот от 20 Гц до 1 МГц демонстрируют размерно зависимое поведение наночастиц CuO. В рассматриваемом диапазоне размеров, результаты импедансной спектроскопии можно интерпретировать посредством относительной доли межчастичных границ.?Исследованы частотные зависимости проводимости CuO на переменном токе. Установлено, что в области низких частот преобладает проводимость постоянного тока. Самое низкое значение проводимости на переменном токе показали наночастицы CuO размером 5,4 нм. Скорее всего, это связано с изменениями структуры межфазной области наночастиц. Величина проводимости переменного тока наночастиц CuO размером <10 нм зависит от относительной объемной доли границ зерен и тройных стыков, составляющих межфазную область. Проводимость наночастиц с размером кристаллитов 37,7 нм немного меньше, чем проводимость наночастиц с размер кристаллитов 15,2 нм. Вероятно, это связано с тем, что температура подложки увеличивает размер частиц и, следовательно, снижает плотность границ. ?Чтобы лучше понять проводимость постоянного тока, данные были подогнаны с помощью уравнения Аррениуса. Энергия активации была рассчитана по наклону кривой lnσ_DC – 1000/T и составила: 0,21 эВ (5,4 нм), 0,19 эВ (15,2 нм), и 0,10 эВ (37,7 нм). Значения энергии активации, полученные из данных диэлектрической релаксации (коэффициента потерь) получились сопоставимыми со значениями, полученными из данных проводимости на постоянном токе. Это позволяет предположить, что механизм электрической проводимости и диэлектрической поляризации одинаков для всех рассмотренных наночастиц.?Методом импедансной спектроскопии исследованы электрофизические свойства композитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с ограниченной массовой концентрацией 0,5 мас.% оксида меди CuO в диапазоне частот от 102 до 108 Гц. Предполагается, что введение в состав полимера малых концентраций наночастиц способствуют более равномерному их осаждению на поверхностях полимерных гранул. Это позволяет в процессе тестирования таких образцов выявить наиболее вероятные механизмы их поляризации и протекания электрического тока в относительно однородном ансамбле наночастиц в полимерной матрице. Установлено, что внедряемые в полимерную матрицу наночастицы незначительно влияют на процессы электрической поляризации, но приводят к появлению частотно-зависимой проводимости в широком диапазоне частот. Этот процесс сопровождается существенным возрастанием диэлектрических потерь. Электрофизические характеристики полученных композитов обсуждаются с учётом переноса электрических зарядов (ионов или электронов) как по внутренней, так и по поверхностной структуре наночастиц CuO.
