Измерение диэлектрических свойств углеродных нанопорошков

Измерения диэлектрической проницаемости полистирольных плёнок проводились в ячейке второго типа. Поскольку толщина всех плёнок немного отличалась производилась нормировка на толщину тестовой полистирольной плёнки (без добавления порошка).

В таблице приведены значения ёмкости и диэлектрической проницаемости плёнок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

31

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ результатов

Анализируются основные результаты работы: зависимость диэлектрической проницаемости от частоты обнаруженная для ультрадисперсных порошков; монотонная зависимость проводимости нанолуковиц от температуры отжига; линейный рост диэлектрической проницаемости плёнок с увеличением массовой доли помещённого в плёнку порошка.

Из графиков зависимости диэлектрической проницаемости от частоты (рис. 18) видно, что дисперсия диэлектрической проницаемости начинается уже на частотах в несколько сотен Гц. По измеренной частотной зависимости была построена численная производна ?'???, которая принимает максимальное по модулю отрицательное значение при частотах ~ 1000 Гц (рис. 22). Это означает, что характерные частоты дисперсии диэлектрической проницаемости УДА таковы, что соответствующее характерное время ? очень велико -- около миллисекунды.

Кроме того, подобная частотная зависимость наблюдалась и для ультрадисперсного порошка дисульфида молибдена. При помещении УДА в твердую полистирольную матрицу частотной зависимости не наблюдалось. При охлаждении порошка дисперсия диэлектрической проницаемости тоже практически исчезает (рис. 20).

Это может означать, что такая поляризация может быть связана с упругим смещением или переориентировкой в электромагнитном поле достаточно массивных агломератов, обладающих ненулевым электрическим моментом. Исчезновение дисперсии при охлаждении подтверждает эту гипотезу: наиболее вероятно, что порошинки смерзаются между собой, уменьшается их подвижность, а значит и способность к ориентации под действием поля.

Более подробный анализ причин дисперсии требует изучения зависимости характерных частот дисперсии от разброса значений размеров порошинок. Также было бы интересно произвести квантовохимический расчёт поляризуемости и электрических моментов нанокристаллов алмаза.

Для того, чтобы измерить статическую диэлектрическую проницаемость ультрадисперсных порошков нужно провести измерения времени заряда/разряда ёмкости и вычислить ёмкость по RC-постоянной цепи.

На графике (рис. 23) показан характер уменьшения удельного сопротивления измеренных образцов нанолуковиц в зависимости от температуры и времени отжига. Видно, что наблюдается рост проводимости с повышением температуры отжига алмазов.

При повышении температуры отжига повышается степень графитизации (что заметно на микрофотографии (рис. 15) -- алмазные кристаллические слои превращаются в графитовые плоскости), а значит, атомы углерода меняют гибридизацию с sp³, свойственную диэлектрику алмазу, на sp², свойственную проводнику графиту. Повышение проводимости в этом случае связано с наличием при sp² гибридизации ?-электронов, не участвующих в химической связи. Такие ?-электроны и являются свободными носителями заряда.

Частотная зависимость ????, совпадающая по форме с алмазной, для образца отожженного при температуре 1170 K, говорит о том, что при такой температуре отжига графитизация еще не начинается, то есть измерялся практически немодифицированный наноалмаз -- что видно и на микрофотографии (рис. 15).

Линейная зависимость диэлектрической проницаемости от концентрации наночастиц в пленке -- это обнадеживающий результат, позволяющий использовать помещение нанотруб в полистирольную пленку для измерения их поляризационных свойств. На графике (рис. 23) показаны зависимости статической диэлектрической проницаемости плёнки от массовой доли порошка.

Если предположить вклад в диэлектрическую проницаемость прямо пропорциональным массовой доле, то можно вычислить диэлектрическую проницаемость нанотруб и наноалмазов. Для наноалмазов вычисленные значения ? составили 4,12 и 5,18 для массовой доли 1 и 5 % соответственно (что близко к значению 5,7 диэлектрической проницаемости макроскопических кристаллов алмаза); для нанотруб 44,6 и 46,6 для 1 и 5 % соответственно.

Нужно отметить также, что изготовляемые по описанному в работе способу толстые плёнки идеально подходят в качестве образца для измерений в гигагерцовой частотной области, где расчётные формулы значительно упрощаются для дискообразных образцов [17]. Тестовые измерения этих плёнок, проведённые в ИФП СО РАН показали, что можно с высокой точностью измерять их диэлектрические свойства в СВЧ-диапазоне.

Заключение

В заключение перечислены основные результаты дипломной работы.

1. Отработана методика измерения диэлектрической проницаемости порошков и толстых пленок для частот 100 Гц -- 1 МГц. Создано несколько модификаций измерительных ячеек для измерения диэлектрических свойств.

2. Отработана методика приготовления полистирольных пленок с растворенными углеродными наноструктурами.

3. Обнаружена частотная зависимость ???? для ультрадисперсных порошков наноалмазов и дисульфида молибдена.

4. Измерены диэлектрическая проницаемость и проводимость порошков наноалмазов и нанолуковиц. Установлена монотонная зависимость проводимости от температуры отжига.

5. Установлена зависимость диэлектрической проницаемости и проводимости толстых полистирольных пленок с нанопорошками от концентрации порошка.

Список литературы

1. Е.М. Байтингер, Электронная структура конденсированного углерода, Свердловск, Издательство уральского университета, 1988 г.

2. Jean-Yves Raty and Giulia Galli, Ultradispersity of diamond at the nanoscale, Nature materials, vol 2, pp. 792-795, (2003)

3. O.A. Shenderova, V.V. Zhimov, and D.W. Brenner, Carbon Nanostructures, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 27(3/4):227--356, (2002)

4. Belle Dume, Hottest topic in physics revealed, PhysicsWeb -- physics news, jobs and resources, http://physicsweb.org/articles/news/10/5/4/1?rss=1.0, (2006)

5. S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature (London), 354, 56 (1991)

6. Углеродные нанотрубки, Википедия -- свободная энциклопедия, http://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки

7. И.В. Золотухин, Углеродные нанотрубки, Соросовский образовательный журнал, http://journal.issep.rssi.ru/?id=4031, (1999)

8. В.Ф. Мастеров, Физические свойства фуллеренов, Соросовский образовательный журнал, http://journal.issep.rssi.ru/?id=4031, (1997)

9. Из нанотрубок сделали ткань для "лестницы в небо", Lenta.ru, http://lenta.ru/news/2005/08/19/nano/, (2005)

10. А.А. Потапов, Диэлектрический метод исследования вещества,Иркутск, Издательство иркутского госуниверситета,1990 г.

11. В.Ф. Комаров, Г.В. Сакович, Наноразмерный алмазосодержащий углерод для автотранспорта и автомобилестроения, Химия в интересах устойчивого развития, 13, 847-850 (2005)

12. В.Ю. Долматов, М.В. Веретенникова, В.А. Марчуков, В.Г. Сущев, Современные промышленные возможности синтеза наноалмазов, Физика твёрдого тела, том 46, вып. 4, (2004)

13. V.L. Kuznetsov, Yu.V. Butenko, A.L. Chuvilin, A.I. Romanenko, A.V. Okotrub, Electrical resistivity of graphitized ultra-disperse diamond and onion-like carbon, Chemical physics letters, 336, pp. 397-404 (2001)

14. Лотов К.В., Физика сплошных сред, Новосибирск, Новосибирский государственный университет, 2001 г.

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теоретическая физика, том 8 «Электродинамика сплошных сред», Москва, «Наука», 1982 г.

16. Леванюк А.П., Санников Д.Г., Диэлектрики, Сервер Вологодской областной универсальной научной библиотеки, http://booksite.ru/fulltext/1/001/008/029/876

17. А.А. Брандт, Исследования диэлектриков на сверхвысоких частотах, Москва, государственной издательство физико-математической литературы, 1963 г.

18. А.Н. Губкин, Поляризация диэлектриков, Физический энциклопедический словарь, том 4, Москва, «Советская энциклопедия», 1965 г.

19. Уэрт Ч., Томсон Р., Физика твёрдого тела, Москва, «Мир», 1966 г.

20. А. Н. Губкин, Диэлектрические измерения, Сервер Вологодской областной универсальной научной библиотеки, http://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/029/899.htm

21. Эме Фридрих, Диэлектрические измерения, Москва, «Химия», 1967 г.

22. А.А. Потапов, Молекулярная диэлькометрия, Новосибирск: ВО "Наука", 1994 г.

23. В.Э. Каминский, Модель проводимости жгутов и плёнок из углеродных нанотруб, Физика и техника полупроводников, том 34, вып. 10 (2000)

24. Н.И. Алексеев, О морфологии углеродных нанотрубок, растущих из каталитических частиц: формулировка модели, Физика твёрдого тела, т. 48, вып. 8, (2006)

25. T. Enoki, Diamond-to-graphite conversation in nanodiamond and electronic properties of nanodiamond-derived carbon system, Физика твёрдого тела, том 46, вып. 4, (2004)

26. Philippe Mauron, Growth Mechanism and Structure of Carbon Nanotubes, Aus dem Departement fьr Physik Universitдt Freiburg (Schweiz), Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Wьrde eines Doctor rerum naturalium der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultдt der Universitдt Freiburg in der Schweiz, (2003)

27. C.A. Grimes, C. Mungle, D. Kouzoudis, S. Fang, P.C. Eklund, The 500 MHz to 5.50 GHz complex permittivity spectra of single-wall carbon nanotube-loaded polymer composites, Chemical Physics Letters 319_2000.460--464, (2000)

28. Физические величины, справочник под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, Москва, «Энергоиздат», 1991 г.

Размещено на Allbest