Шаруваті кристали рідкоземельних матеріалів

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Кафедра електроніки і енергетики

ДИПЛОМНА РОБОТА

Шаруваті кристали рідкоземельних матеріалів

Чернівці

2006

Анотація

В роботі досліджувались процеси інтеркаляції водню матеріалів із розвинутою внутрішньою поверхнею (InSe; GaSe). Показано, що в процесі інтеркаляції змінюються параметри кристалічної гратки, електричні і фотоелектричні властивості. Ці матеріали є перспективними для накопичення в них водню.

Зміст

 

Анотація

Вступ

Експериментальні результати та їх обговорення

1. Технологія вирощування шаруватих кристалів А³-В⁶, придатних до інтеркалюванняя

2. Методика інтеркалювання

3. Впровадження водню в GaSe

4. Впровадження водню з газової фази під тиском

5. Нанокристалічні порошки GaSe і InSe

6. Інтеркаляція воднем нанопорошків

7. Техніка безпеки

Висновки

Література

Вступ

Основною тенденцією в розвитку сучасної техніки є використання функціональних об'єктів малих розмірів. Унікальність властивостей таких об'єктів (наноструктур) в основному визначаються атомними і електронними процесами, які протікають як в об'ємі, так і на їх межах і мають уже квантовий характер. Крім цього, наноструктури через малі розміри є достатньо нерівноважними системами.

Одною з основних перешкод для застосування водню в якості універсального й екологічно чистого палива є відсутність ефективних способів його акумулювання. У цей час жоден з існуючих методів зберігання водню - під високим тиском, в адсорбованому стані при знижених температурах, у рідкому стані, у вигляді гідридів металів й інтерметалічних сполук - не задовольняє пропонованим вимогам до акумуляторів водню. Такі вимоги були сформульовані Департаментом енергетики США: у випадку мобільних систем зберігання вміст водню по масі повинен бути не менш 6.5 % (маси.), а по об'єму - не менш 63 кг/м. По вимогах Міжнародного енергетичного агентства, акумулятор водню повинен містити не менш 5 % (маси.) Н₂ і виділяти його при температурі не вище 373. Тому розробка нових і більше ефективних методів зберігання водню багато в чому визначає подальший прогрес у розвитку водневої технології й енергетики. Акумулювання водню, засноване на оборотній сорбції водню, є одним з найбільш перспективних і широко досліджуваних способів рішення позначеної проблеми. Найчастіше як сорбенти розглядаються гідридоутворюючі метали й інтерметалічні сполуки й приготовлені різними способами сорту активованого вугілля. В останні роки для використання як воднево-акумулюючих матриць більші надії покладають на фулерени, вуглецеві нановолокна й нанотрубки.

В зв'язку з цим в даний час відбувається як інтенсивний розвиток теорії явищ в малих об'єктах, так і розробка нових методів їх одержання, а також фізичних і хімічних методів дослідження. Поверхні наноструктури з їх особливими властивостями відіграють значну роль в таких об'єктах як високодисперсні системи - адсорбенти і каталізатори, наповнювачі композиційних матеріалів, плівкові і мембранні системи. Інтерес до наноструктур значно зріс у зв'язку з перспективами їх широкого використання в мікро- опто- і акустоелектроніці. Виділився новий напрямок електроніки - наноелектроніка, яка використовує в роботі приладів низькорозмірні структури з квантовими ефектами. Крім цього, важливим напрямком є інтеркаляція нанорозмірних об'єктів воднем.

 

Експериментальні результати та їх обговорення

 

1. Технологія вирощування шаруватих кристалів А³В⁶, придатних до інтеркалювання

Важливим критерієм кристалічних матриць, здатних до інтеркалю- вання, є відсутність або мінімальна кількість домішкових атомів у ван-дер-ваальсових щілинах. Тому, технологічні параметри синтезу вибираються таким чином, щоб в першу чергу, забезпечити досконалість системи "гостьо- вих позицій".

В технології вирощування шаруватих монокристалів необхідно враховувати широке коло факторів, що визначають кінцевий стан кристалу: чистоту вихідних компонентів; режими синтезу; степінь очистки в процесі росту; температурний градієнт на границі кристал-розплав; стабілізацію температури; швидкість опускання ампули, та ін. В якості вихідних компонент для синтезу шаруватих кристалів GaSе використовувались селен ОСЧ - 22 - 4 і галій ГЛ-000. Контейнерами для синтезу та вирощування монокристалів служили кварцові ампули. Перед завантаженням вихідних компонентів ампули оброблялися слідуючим чином: травлення кислотою на протязі однієї години, 6-7 кратне промивання бідистильованою водою з подальшим пропарюванням і сушкою у вакуумі. Після висушування ампули графітувалися. В подальшому вони завантажувались вихідними речовинами. Кількість компонентів, використовуваних для синтезу, відповідала стехіометричному складу. Вага завантажуваних речовин не перевищувала 50 грамів, а величина вільного об'єму ампул після підпанки підбиралась мінімальною. Ампули вакуумувались до залишкового тиску порядку 10^-6 мм рт. ст. і відпаювались. Синтез GаSе проводили в печі типу СУОЛ з використанням вібраційного перемішування розплаву як під час нагрівання, так і під час охолодження. При нагріванні перемішування в значній мірі прискорює процес утворення нових речовин, а при охолодженні сприяє видаленню із розплаву газових включень і утворенню щільних зливків. Це необхідно для того, щоб леткі компоненти селену при температурі, коли тиск його пари не перевищував атмосферного, встигли прореагувати з більшою кількістю або повністю з речовиною, яка залишилась.

Технологічні експерименти показали, що найбільш придатним варіантом для вирощування шаруватих монокристалів GаSе з досконалою "гостьовою" структурою і яскраво вираженою шаруватістю є дещо змінений метод Бріджмена. При цьому, піч забезпечувала необхідний градієнт температури на фронті кристалізації.

В результаті проведених досліджень впливу режимів вирощування на структурну досконалість і властивості монокристалів встановлено, що оптимальними є швидкість росту 1.5 - 2,0 мм/год і температурний градієнт в області кристалізації 10 - 15 град/см. Діаметр вирощуваних зливків при таких режимах складає 14 - 20 мм. Відмітимо, що при відхиленні градієнта температури і швидкості опускання ампули від оптимальних умов, вихід монокристалічного матеріалу зменшується при одночасному погіршенні структурних і електрофізичних параметрів.

Ще одним важливим фактором для вирощування якісних шаруватих матеріалів є стабілізація температури в печі (і особливо на фронті кристалізації), яка підтримувалась за допомогою терморегулюючих пристроїв типу РИФ-101 з точністю ± 0,5 °С. Отримані за даною методикою вирощування шаруваті монокристали GaSe мають яскраво виражену пошарову структуру з, як показують експерименти, підходящою системою "гостьових" позицій.

Для вирощування моноселеніду індію (ІnSе) використовувалась вищеописана технологія з слідуючими змінами:

1. замість галію вихідним компонентом вибирається індій Іn-000;

2. температура плавлення » 600 °С;

3. градієнт температури 25 - 30 град/см;

4. швидкість опускання ампули » 1 мм/год.

Вищеописана технологія дозволяє отримувати монокристали з блискучою природною поверхнею сколу, яка характеризується дуже низьким числом ненасичених зв'язків, що роблять такі шаруваті кристали практично незамінними для спеціальних пристроїв фотоелектроніки. Завдяки яскраво вираженій пошаровості кристалічної структури, а також невеликому значенню інтегралу міжшарової взаємодії стає можливим механічним сколюванням відділяти плоскопаралельні пластини товщиною ~0,5 мкм.