Михайлова Светлана Леонидовнаның

Transcript

1 Михайлова Светлана Леонидовнаның «6D Наноматериалдар және нанотехнологиялар» мамандығы бойынша философия докторы (PhD) ғылыми дәрежесін алу үшін диссертациясына АННОТАЦИЯ Металл нанокластерлерімен модификацияланған аморфты алмаз тәрізді көміртек (а-с:н) қабықшаларының құрылымы мен электрондық қасиеттері Тақырыптың өзектілігі: Көміртектің бірегейлігі әртүрлі физикалық және химиялық қасиеттерге ие кристалды және кристалды емес қатты денелер қатарынан көрінетін, әртүрлі sp, sp 2 және sp 3 электрондық конфигурацияларында кездесетін химиялық байланыстарды құру қабілетімен байланысты. а-с:н қабықшалары өлшемді кванттау эффектісі бар наноқұрылымды материал екені айтарлықтай маңызды. Қазіргі таңда, а-с:н қабықшаларында наноөлшемді нысан ретінде алмазтәріздес матрицасына sp 3 -конфигурациялық байланыспен ендірілген өлшемі 0,5 нм-ден 2 нм-ге дейін sp 2 -конфигурациялы валенттік байланыс түзетін графиттәріздес нанокластерлер орын алады. Графит тәрізді нанокластерлер алмаз тәрізді матрицаның екінші фазасы ретінде қарастырылады және осы объектілерде байқалатын өлшем-квантталу әсеріне жауапты болады. Графит пен алмаз тәрізді матрицаның компоненттері арасындағы өзара байланыс а-с:н қабықшасының физика-химиялық қасиеттерін анықтайды және атап айтқанда, олардың электр өткізгіштігі мен оптикалық жұтылуын анықтайды. Аморфты алмаз тектес көміртекті қабықшалар (а-с: Н) имплантанттардан бастап әуе кемесімен аяқталатын әр түрлі салаларда оларды қолдану мүмкіндігі болып табылады. Практикалық қолдану саласын кеңейту, сондай-ақ бірқатар қасиеттерді жақсарту үшін а- С:Н қабықшалары түрлі металдармен түрлендірілген. Енгізілген металлдың көміртекті матрицамен өзара әрекеттесуі металдың химиялық табиғатына байланысты. Жалпы жағдайда қоспаның матрицамен өзара әрекеттесуі металдарды шартты түрде екі топқа бөлуге мүмкіндік береді. Бірінші топқа белгілі бір жағдайларда көміртекті матрицамен химиялық байланыс жасайтын металдар (вольфрам, титан, кобальт, темір және т.б.) кіреді. Мысалы, а-с:н қабықшаларындағы титан қоспасы матрицаның тозуға төзімділігін арттыруға алып келеді және беріктігін арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, титан барлық төсеніштермен жақсы адгезияға ие және көміртегімен оңай әрекеттеседі, бұл құрамында TiC нанокристаллиттер бар қатты нанокомпозитті жабындар дайындауға қолданылады, олардың болуы трибологиялық қасиеттерін сынаған кезінде нано- немесе микросызаттың таралуын тоқтатуға көмектеседі және үйкеліс коэффициентін азайтады. TiC

2 кристаллитеріне бай қабықша беті оттегінің диффузиясына жол бермейтін диффузиялық тосқауыл ретінде әрекет етуі мүмкін. Екінші топқа көміртекпен тұрақты химиялық қосылыстарды құрмайтын металдар жатады, олар көміртекті матрицада оқшауланған нанобөлшектер түрінде (күміс, алтын, платина, мыс және т.б.) кездеседі. Диэлектрлік матрицада күміс нанобөлшектердің болуы, атап айтқанда а-с:н қабықшаларының матрицасында мұндай жүйелерде жаңа бірегей қасиеттер мен құбылыстардың пайда болуына әкеледі. Олардың ішінде, мысалы беттік плазмондық резонанс, бұл металл нанобөлшектердің беттік еркін электрондары арқылы спектрдің көрінетін аймағында электромагниттік сәулеленудің жұтылуына негізделген, тағы Раман шашырауының (SERS әсері) беткі күшейтілуі және бактерицидтік қасиеттерінің байқалуы болып табылады. Мұндай материалдар ақпаратты сақтау үшін пикосекундтық диапазондағы оптикалық қосқыштарда және магнито-оптикада практикалық қолдану үшін өте перспективті болып саналады. а-с:н матрицасын бір мезгілде күміс және титан тәрізді металдармен модификациялау пайда болған қабықшаларда қоспалардың әрқайсысының қасиеттерін біріктіруге әкеледі деп болжауға болады, бұл олардың практикалық қолдану өрісін едәуір кеңейтеді. Екінші жағынан, металдармен модификацияланған а-с:н қабықшаларын жаңа материал деп санауға болады, атап айтқанда, көміртекті матрицасында орналасатын металл армирлеуші элемент болып табылып, оның жаңа физикахимиялық қасиеттердің пайда болуына әкеледі. Нанокомпозиттерді алудың тиімді тәсілі - иондық-плазмалық тозаңдату әдiсі, оның аралас нысаны ретінде нанокомпозиттің компоненті (көміртек, титан, күміс) болып табылады. Бұл әдіс матрицаның кристалдануынсыз металл қоспасының үлкен концентрациясы бар а-с:н қабықшаларын алуға мүмкіндік береді. Осылайша, нанокомпозиттерді алу технологиясын жасау және олардың құрылымы мен электрондық қасиеттерін зерттеу наноматериалтану ғылымы мен нанотехнологияның маңызды және іргелі міндеті болып табылады. Диссертациялық жұмыстың мақсаты: Ag және Ti қоспаларымен модификацияланған алмаз тәрізді көміртекті аморфты қабықшалардың құрылымы мен электронды қасиеттерін зерттеу. Зерттеу міндеттері: Аралас нысанды иондық-плазмалық магнетронды тозаңдату әдісі арқылы күміс және титан қоспаларымен модификацияланған жұқа аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшаларды алу технологиясын әзірлеу. Спектроскопиялық және дифракциялық әдістерді қолдана отырып а-с:н, а-с:н<ag>, а-с:н<ti> және а-с:н<ag+ti> жұқа қабықшалардың құрылымын зерттеу. 2

3 а-с:н, а-с:н<ag>, а-с:н<ti> және а-с:н<ag+ti> жұқа қабықшалардың оптикалық және электрлік қасиеттерін зерттеу және ерекшеліктерін анықтау. а-с:н<ag> және а-с:н<ag+ti> қабықшаларындағы оптикалық жұтылудың термиялық тұрақтылығын зерттеу. Зерттеу нысаны: а-c: H аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалар; а-с:н<ag> күміс қоспасымен модификацияланған аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалар; a-c: H <Ti> титан қоспасымен модификацияланған аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалар; Аргон және метан газ қоспасының атмосферасындағы поликристалды графит, күміс және титанның аралас нысанындағы ион-плазмалық тозаңдату әдісімен алынған күміс және титан қоспаларымен модификацияланған а-с:н<ag+ti> аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалар. Зерттеу тақырыбы. Күміс және титанмен модификацияланған аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалардың (a-c: H <Ag + Ti>) құрылымы мен электронды (электрлік және оптикалық) қасиеттері. Эксперименттік және теориялық әдістер. Қабықшалардың құрамы мен құрылымы келесі әдістердің көмегімен жүзеге асты: Энергетикалық дисперсті талдау (EDS); Электронды дифракция; Сканерлеуші электронды микроскопия (SEM); Трансмиссиялық электронды микроскопия (TEM); Раман спектроскопия әдісі; Жоғары ажыратылымды рентген фотоэлектрондық спектроскопия (XPS XRD), Электр және оптикалық қасиеттерді зерттеу әдістері; Электрлік модельдеу классикалық перколяция теориясы мен тиімді ортаны моделін қолдану арқылы жүзеге асырылды; Оптикалық қасиеттері Ми теориясы бойынша, өлшемі λ/20-дан төмен нанобөлшектер үшін модельденді; Қорғалуға шығарылған ережелер: 1. Күміс және титан қоспаларымен модификацияланған аморфты алмаз тәрізді көміртекті қабықшалардың а-с:н<ag+ti> құрылымы оқшауланған 3

4 күміс нанобөлшектері мен аморфты титан диоксиді бар аморфты көміртекті матрицамен сипатталады. 2. а-с:н<ag+ti> қабықшалар күміс нанобөлшектеріндегі еркін электрондарының көрінетін жарық аймағында максимум мәні 450 нм кезінде электромагниттік сәуленің резонансты жұтылуымен және өткізгіштіктің перколяция механизмімен сипатталады. 3. а-с:н<ag+ti> қабықшаларында күміс және титан концентрацияларын өзгерту арқылы плазмондар өрісі әсерінің (SERS-әсері) интенсивтілігін басқару арқылы TiO 2 нанобөлшектерден рамандық шашырау күшейтіледі. 4. а-с:н<ag+ti> қабықшаларындағы беттік плазмондық резонанс а- С:Н<Ag> қабықшаларындағы резонанспен салыстырғанда термиялық тұрақтырақ болады, ол а-с:н<ag+ti> қабықша құрылымындағы TiO 2 нанобөлшектердің алмазтектес матрицаға жақын болу салдарымен түсіндіріледі. Ғылыми жаңалығы төмендегілерден тұрады: Алғаш рет иондық-плазмалық магнетронды тозаңдату әдісімен алынған а-с:н<ag+ti> жұқа қабықшалардың құрылымы зерттелген. Бұл Ag және TiO 2 нанобөлшектері бар аморфты алмаз тектес матрицада негізделген нанокомпозиттік материал ретінде көрсетілді. а-с:н<ag+ti> қабықшаларында электромагниттік сәулелену спектрінің көрінетін жарық диапазонында беттік плазмонды резонанс пен өткізгіштіктің перколяциялық мезанизмі алғаш рет табылды және зерттелді. Және резонансты жұтылу а-с:н<ag> қабықшалардағымен салыстырғанда термиялық әлдеқайда тұрақты және ол 450 о С температураға дейін сақталатыны анықталған. а-с:н<ag+ti> қабықшаларында күміс және титан концентрацияларын көбейту арқылы арқылы TiO 2 нанобөлшектерден рамандық шашыраудың беттік күшеюі (SERS-әсері) анықталды және зерттелді. Өткізілген зерттеулердің апробациясы: Зерттеудің нәтижелері әл-фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасының семинарларында бірнеше рет талқыланды, және халықаралық ғылыми конференцияларда, симпозиумдарда, соның ішінде: 26th International Conference on Diamond and Carbon Materials DIAM 2015 (Bad Homburg, Germany) Chaos and structures in nonlinear systems 2015 (Karaganda, Kazakhstan) 12th International Conference Advanced Carbon NanoStructures (ACNS 2015) (Saint-Petersburg, Russia) 26th International Conference on Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors 2015 (ICANS 26) (Aachen, Germany) Solid State Physics 2016 (Astana, Kazakhstan) 4

5 Amorphous and Microcrystalline Semiconductors (AMS 2016), (Saint- Petersburg, Russia) SPIE Optics+Photonics 2016 (San Diego, USA) 13 th International Conference on the Structure of non-crystalline materials 2016 (NCM 13) (Halifax, Canada) Chaos and structures in nonlinear systems 2017 (Almaty, Kazakhstan) 13th International Conference Advanced Carbon NanoStructures ACNS 2017 (Saint-Petersburg, Russia) Диссертация материалдары бойынша 18 баспа жұмыстары, соның ішінде 1 мақала Thomson Reuters и Scopus базаларына кіреді (Prikhodko O., Mikhailova S., Mukhametkarimov Y., Dauthan K., Maksimova S. Structure and Phase Composition of Thin a-c:h Films Modified by Ag and Ti // Optics and spectroscopy Vol P DOI /s x , (S, IF 0,331; ISI TR, IF 0,716). 5 басылым (соның ішінде 1 патент) білім және ғылым саласындағы бақылау комитетімен (БССЕК) мақұлданған баспаларда, 12 халықаралық конференция материалдарында, оның ішінде 4 Thompson Reuters деректер базасына кіреді. Алынған нәтижелердің сенімділігі мен негізділігі заманауи әдістерді қолданумен заманауи сертификатталған құрылғылар көмегімен жасалумен негізделген. Алынған нәтижелер мамандандырылған халықаралық ғылыми конференцияларда, Thompson Reuters базасында және Scopus базасында қамтылған халықаралық ғылыми журналдарда жарияланған мақалалармен нөлдік емес импакт-фактормен бекітіледі. Зерттеу нәтижелері бойынша авторлардың өнертабыс патенті Приходько О.Ю., Мухаметкаримов Е.С., Михайлова С.Л., Манабаев Н.К., Максимова С.Я., Даутхан К. «Плазмонды резонансты жұтылу әсері бар көміртегі, титан және күміс негізіндегі наноқұрылымды қабықшаларды алу әдісі» атты Қазақстан Республикасы Әділет министрлігінің Зияткерлік меншік ұлттық институтының бұйрығы мерзімінен бюл. 19. Зерттеудің практикалық маңызы: Күміс пен TiO 2 нанобөлшектер мен аморфты алмаз тәрізді көміртекті матрицадан тұратын a-c:h<ag+ti> нанокомпозиттік қабықшаларды алу технологиясы жасалды. Қоспалы модификация әдістерімен алынған а-с:н<ag+ti> қабықшаларының оптикалық және электрлік қасиеттерімен басқаратын мүмкіндіктері көрсетілген. 450 о С-қа дейін сақталатын плазмалық резонансты жұтылу әсері мен SERS әсерлері бар a-c:h<ag+ti> қабықшалар телекоммуникация жүйесіндегі оптикалық ажыратқыштарды жасауға, практикалық қолдану әр түрлі қоспаларды анықтау және болашақта ыстыққа төзімді бактерияға қарсы жабындар ретінде. a-c:h<ag+ti> қабықшаларды алу технологиясы мен оптикалық қасиеттері бойынша нәтижелер наноматериалтану мен нанотехнологияның 5

6 іргелі және қолданбалы тапсырмаларының жаңа және маңыздылары болып табылады. Диссертанттың жеке үлесі: Зерттеу тобының автормен бірге аралас нысанды ионды-плазмалық магнетронды тозаңдату әдісі арқылы күміс және титан қоспаларымен модификацияланған жұқа аморфты алмас тәрізді көміртекті қабықшаларды алу технологиясын әзірленді. Спектроскопиялық және дифракциялық әдістерді қолдана отырып а-с:н<ag+ti> жұқа қабықшалардың құрылымы, оптикалық және электрлік қасиеттері зерттелді. Автор XPS әдісінің құрылымын жеке зерттеп, SEM, TEM, электрондық дифракция, XPS, Raman және оптикалық спектроскопия әдістерін талдады. Қорғауға ұсынылған ережелер, негізгі нәтижелер мен қорытындылар ғылыми кеңесшілермен бірлесіп жүргізілді. Диссертацияның көлемі мен құрылымы Диссертациялық жұмыс белгілеулер мен қысқартулар тізімінен, кіріспе, төрт бөлімшеден тұратын негізгі бөлімнен, қорытынды және пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Диссертациялық жұмыстың көлемі 112 парақтық мәтін, соның ішінде 101 сурет, 9 кесте және 113 әдебиет көзі. Зерттеу нәтижелері: 1. Поликристалды графит пен Ag және Ti металдарынан тұратын аралас нысанды магнетронды ионды-плазмалық тозаңдату әдісі арқылы күміс пен титан қоспаларымен модификацияланған (а-с:н<ag+ti>) жұқа аморфты алмаз тәрізді көміртек қабықшаларды алу технологиясы жасалды. 2. Алғашқы рет рутил фазасында көрсетілген оқшауланған күміс пен аморфты титан диоксидінің нанобөлшектері таралған аморфты алмаз тәрізді көміртекті матрицадан тұратын а-с:н<ag+ti> негізіндегі жұқа қабыршақты нанокомпозиттік материал жасалды. 3. а-с:н<ag+ti> қабықшаларында электромагниттік сәулелену спектрінің көрінетін жарық диапазонында беттік плазмонды резонанс пен өткізгіштіктің перколяциялық мезанизмі алғаш рет табылды және зерттелді. Және резонансты жұтылу а-с:н<ag> қабықшалардағымен салыстырғанда термиялық әлдеқайда тұрақты және ол 450 о С температураға дейін сақталатыны анықталған. а-с:н<ag+ti> қабықшаларындағы резонансты жұтылу оқшауланған металл нанобөлшектері бар гетерогенді орта үшін электромагниттік жұтылудың Ми классикалық теориясына негізделіп сипатталған. 4. Қабықшаларда Ti концентрациясы тұрақты болып, Ag концентрациясын арттырған сайын өткізгіштің перкаляциялық механизмі орын алатыны анықталған, ол перкаляцияның классикалық теориясы мен ортаның эффекивті моделімен сипатталған. 6

7 5. а-с:н<ag+ti> қабықшаларында TiO 2 нанобөлшектерінен беттік раман шашырауының (SERS-эффект) күшеюі байқалған, ал оның интенсивтілігі қабықшаларда күміспен қатар титан концентрацияларын арттырған сайын өседі о С-тан кейін плазмондық резонанстың шыңы жоғалатын а- С:Н<Ag> қабықшалармен салыстырғанда, а-с:н<ag+ti> қабықшаларындағы беттік плазмонды резонанс әлдеқайда ыстыққа төзімді 450 о С температураға дейін жететіні алғаш анықталған. а-с:н<ag+ti> қабықшаларындағы резонанстық жұтылудың термиялық төзімділігінің жоғары болуы олардың құрылымындағы TiO 2 нанобөлшектерінің бар болуымен және а-с:н<ag> қабықшаларымен салыстырғанда алмазтектес матрицаға жақын болуымен түсіндіріледі. 7. Әр түрлі әдістермен алынған а-с:н<ag+ti> қабықшалардың құрылымы жағынан, олардың оптикалық, электрлік және термиялық қасиеттері өзара жақсы байланыста болатыны көрсетілген. Осылайша, жүргізілген зерттеулердің нәтижесінде аморфты алмаз тәрізді көміртек пен оқшауланған күміс және титан диоксиді нанобөлшектер негізіндегі жаңа нанокомпозиттік материал пайда болды, ол сызықты емес электрлік және оптикалық қасиеттерімен сипатталады және плазмон резонансының жоғары термотұрақтылығымен сипатталады. 7