додати матеріал

приховати рекламу

Синтез нанокристалічних напівпровідникових частинок

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

Зміст "1-3"
1. Введення. 2
2. Літературний огляд. 3
2.1. Твердофазний синтез у склі. 3
2.2. Осадження з розчинів. 3
2.3. Гідротермальний метод. 4
2.4. Метод MOVPE. 4
3. Експериментальна частина. 5
3.1. Вихідні речовини. 5
3.2. Синтез нанокристалічних PbS в розчині полівінілового спирту. 5
3.3. Синтез нанокристалів у скляній матриці. 5
3.4. Оптичні вимірювання. 5
4. Результати та їх обговорення. 7
4.1. Напівпровідникові наночастинки PbS, отримані в матриці ПВС. 7
4.2. Напівпровідникові наночастинки PbS і PbTe, отримані в матриці скла. 7
5. Висновки .. 9
6. Список літератури .. 10
7. Програми. 11


1. Введення
 
Останнім часом одним з провідних напрямків у сучасному матеріалознавстві став синтез нанокристалічних речовин з заданими властивостями та створення функціональних матеріалів на їх основі.
Підвищений інтерес до наноматеріалам можна пояснити двома основними причинами. По-перше, зменшення розміру кристалітів є традиційним способом поліпшення таких властивостей матеріалу, як каталітична активність, реакційна здатність по відношенню до твердофазним реакцій, спекаемость порошкоподібних речовин, механічна міцність. По-друге, при зменшенні розміру кристалітів нижче деякої граничної величини фізико-хімічні та функціональні властивості речовини можуть зазнавати значні зміни, в результаті чого речовина набуває особливі, не характерні для об'ємного матеріалу, властивості (магнітні, оптичні, надпровідні, діелектричні).
Всі методи синтезу нанокристалічних матеріалів повинні задовольняти сукупності чітко визначених критеріїв:
1. Нерівноважності, що дозволяє домогтися спонтанного зародкоутворення і не допустити зростання та агрегації сформувалися наночасток.
2. Висока хімічна однорідність одержуваного наноматеріалу.
3. Монодисперсні утворюється речовини.
В даний час, відомо безліч різних методів отримання речовини в нанокристалічних стані. Їх можна розділити на кілька основних груп:
- Високоенергетичні методи (випаровування з наступною конденсацією, механохімічний метод);
- Синтез в нанореакторах (міцелах, краплях, плівках тощо);
- Хімічні методи (золь-гель, кріохіміческій, гідротермальний методи);
- Методи, засновані на видаленні одного з компонентів мікрогетерогенні системи за рахунок хімічної реакції (одержання скла, модифікованого напівпровідниковими або металевими наночастинками).
Мета цієї роботи стало отримання різними методами нанокристалічних напівпровідників (PbS, PbTe, PdSe) і визначення розміру утворюються частинок.

2. Літературний огляд
 
2.1. Твердофазний синтез у склі
Для отримання нанокристалічних напівпровідникових матеріалів на основі халькогенідів свинцю як матриці зазвичай застосовують фосфатні [1] або силікатні [2] скла, що задовольняють всім перерахованим вимогам. Крім того, як відомо, ці скла мають каркасну структуру з відносно великими розмірами порожнин. Наявність таких порожнин полегшує початок кристалізації одержуваного речовини, але лімітує розміри утворюються кристалітів.
Для здійснення зазначеного синтезу спочатку відпалом при високій температурі (більшої температури плавлення вихідного скла) отримують розчин PbSe у склі. Далі цю систему отжигают при температурах порядку 400-600 єС (нижче температури плавлення обох компонентів), що призводить до кристалізації PbSe у нанорозмірні кристаліти. Оскільки в звичайних стеклах PbSe малорастворим, застосовують скла, до складу яких входить оксид бору. Крім того, зазвичай використовуються скла, що містять оксид цинку, які мають відносно низькі температури плавлення.
Отримання первинних розчинів PbSe у склі можна здійснювати декількома методами. У роботі [2], для прикладу, до складу скла крім зазначених B 2 O 3 і ZnO вводили також PbO. Далі це скло змішували з Se і проводили відпал при температурі 1200-1300 єС (T пл (PbSe) = 1081 єС [3], T пл (скла) ~ 900 єС). При цьому утворювався PbSe у вигляді його розчину в склі. Далі цю систему охолоджували до 460 - 540 º С і витримували при цій температурі протягом 6 годин. Це дозволило отримати нанокристалічних PbSe з розмірами зерен 1.6-7.3 нм.
Аналогічні схеми застосовуються також і для синтезу сульфіду свинцю і телуриду свинцю.
 
2.2. Осадження з розчинів
Іншим способом стабілізації нанокристалічною сульфіду свинцю є отримання органо-або гидрозолей (наприклад, PbS [DBS] або PbS [ПВС]) [4]. Вони утворюються при осадженні PbS з розчинів нітрату свинцю в DBS (додецілсульфонатбензол) або ПВС (полівініловий спирт). Осадження можна проводити як сірководнем, так і сульфідом натрію, в залежності від природи використовуваного прекурсору і полімерної матриці. У літературі описані й інші методи отримання нанокристалічних частинок PbS шляхом їх осадження з розчинів:
  • осадження сірководнем з метанольного розчину Pb (ClO 4) 2, Pb (CH 3 COO) 2 в присутності ПВС або з етанольних розчину в присутності гідроксипропілцелюлоза [5].
  • обробка розчину Pb (OAс) 2 · 3H 2 O у гліцерині невеликою кількістю сірковуглецю CS 2 [6].
  • осадження сульфідом натрію з метанольного розчину Pb (NO 3) 2, у присутності тетраметоксісілана Si (OCH 3) 4 (золь-гель метод) [7].
  • синтез з використанням плівок Ленгмюра-Блоджетт (утворених свинцевої сіллю арахіновою кислоти) в атмосфері сірководню [8].
 
2.3. Гідротермальний метод.
 
            У роботі [9] нанокристалічних PbS отримали нагріванням протягом 24 годин, при температурі 180 0 С, суміші водних розчинів ацетату свинцю і тіосульфату натрію, в присутності ПАР - C 17 H 33 COOK, в автоклаві з нержавіючої сталі.
 
2.4. Метод MOVPE.
 
                Автори роботи [11] пропонують як метод синтезу нанокристалічних речовин метод напилення плівок металоорганічних сполук з газової фази.
В якості об'єктів досліджень були вибрані PbS і PbTe.

3. Експериментальна частина
 
3.1. Вихідні речовини.
Pb (NO 3) 2 * 10H 2 O ("ч.д.а."), Na 2 CO 3 ("х.ч."), CaO ("ч.д.а."), B 2 O 3   ("Х.ч."), FeS 2, HСl (конц), полівініловий спирт (ПВС), PbTe ("х.ч."), SiO 2 ("ч.д.а.").
 
3.2. Синтез нанокристалічною PbS в розчині полівінілового спирту.
Для отримання нанокристалічних частинок PbS в розчині полівінілового спирту на першому етапі роботи були проведені дослідження щодо вибору оптимальної концентрації спирту. Було вирішено приготувати чотири розчину спирту з концентраціями 1%, 10 -1%, 10 -2%, 10 -3% і з концентрацією Pb (NO 3) 2 10 -2 M в кожному. При обробці даних спектрометра виявилося, що оптимальним з представлених розчинів є 1% розчин ПВС. На наступному етапі роботи було вирішено провести дослідження впливу концентрації свинцю на величину одержуваних нанокристалічних частинок і відповідно енергій заборонених зон. Було приготовлено чотири розчину нітрату свинцю: 0,1 М, 0,01 М, 0,001 М і 0,0001 в 1% розчині спирту. Далі, до отриманих розчинів додавали свежеполученний сірчану воду. З отриманих розчинів були зняті спектри поглинання.
 
3.3. Синтез н анокрісталлов в скляній матриці
Отримання нанокристалічних PbS і PbTe проводили методом матричної ізоляції в силікатному склі. Спочатку використовували скло наступного складу:
m (SiO 2): m (B 2 O 3): m (Na 2 CO 3): m (CaO) = 6: 2: 2: 3
Стехіміометріческую суміш вихідних реактивів ретельно перетирали на повітрі в агатовій ступці, після чого відпалювали при 1100 о С протягом 12 годин. Свежеосажденная і висушені сульфіди перетиралися з порошком стекол. Було приготовлено чотири суміші: із змістом PbS / PbTe 6%, 0,6% масових відсотка. Отримані маси наносилися на платівки і відпалюй при 1200 0 С протягом 2 годин. З отриманих стекол були зняті спектри поглинання.
 
3.4. Оптичні вимірювання.
Спектрофотометричні вимірювання проводили на спектрофотометрі Perkin Elmer Lambda 35 в діапазоні довжин хвиль 1100 - 190 нм. В якості зразка порівняння використовували дистильовану воду при аналізі наночастинок, отриманих в матриці ПВС, і підкладку Al 2 O 3 при використанні скла в якості матриці.
Ширину забороненої зони визначали з графіків в нормованих координатах за формулою:
EQ (1)
де m * - маса екситона, E g - ширина забороненої зони для об'ємного кристала, d - розмір частинок, h - постійна планка.
З літературних даних [8] для PbS: E g = 0,41 еВ і m * = 0,1825 m e, для PbTe: E g = 0,37 еВ і m * = 0,154 m e (m e - маса електрона, рівна 9,109 * 10 -31 кг).

4. Результати та їх обговорення.
4.1. Напівпровідникові наночастинки PbS, отримані в матриці ПВС.
При зміні концентрації Pb (NO 3) 2 в розчині полівінілового спирту спостерігається зсув краю смуги поглинання, що пояснюється зміною ширини забороненої зони напівпровідникових частинок із зміною їх розміру.
Також необхідно відзначити, що оптимальний розмір наночастинок для розчину 1% ПВС виходить при концентрації Pb (NO 3) 2 10 -3 М. Про це свідчить найбільша інтенсивність піків поглинання для даного розчину (рис.1).

Малюнок 1. Порівняння спектрів розчинів 1% ПВС з різними концентраціями Pb (NO 3) 2.
4.2. Напівпровідникові наночастинки PbS і PbTe, отримані в матриці скла.
При зміні концентрації PbS і PbTe в склі так само, як і в розчині, спостерігається зсув краю смуги поглинання, що пояснюється зміною ширини забороненої зони напівпровідникових частинок із зміною їх розміру (рис.2).

Малюнок 2. Порівняння спектрів стекол з різними концентраціями
напівпровідникових наночастинок.
Представлені спектри були побудовані в наведених координатах Р 2 Е 2 від Е (додаток 1,2) і за формулою (1) були пораховані значення розмірів отриманих наночастинок (табл. 1).
Таблиця 1. Розміри наночастинок PbS і PbTe.
Вихідні речовини
Концентрація прекурсору в суміші
Розмір утворюються частинок, нм
Ширина забороненої зони, eV
Pb (NO 3) 2
10 - 1 М
6.9
2.15
Pb (NO 3) 2
10 -2 М
6.8
2.1
Pb (NO 3) 2
10 -3 М
6.16
2.55
Pb (NO 3) 2
10 -4 М
5.12
3.5
PbS
6%
5.3
3.3
PbS
0.6%
5.21
3.4
PbTe
6%
5.31
3.25
PbTe
0.6%
5.26
3.3
 

5. Висновки
 
1. Синтезовано нанорозмірні частинки сульфідів свинцю в матриці полівінілового спирту. Показано що при концентрації матриці ПВС - 1% розміри часток залежать від концентрації вихідної речовини.
2. Синтезовано нанорозмірні частинки сульфіду та телуриду свинцю в матриці скла. Показано що при концентрації даному методі синтезу розміри частинок практично не залежать від концентрації вихідної речовини.

6. Список літератури.
1. T. Okuno, A. Lipovskii, T. Ogawa, I. Amagai, Y. Masumoto. Journal of Luminescence 87-89 (2000) 491-493;
2. Y. Baolong, Z. Congshan, X. Haining, C. Hangbing, G. Fuxi. Journal of Material Science Letters 16 (1997) 2001-2004;
3. Довідник / / Фізико-хімічні властивості напівпровідників. Москва «Наука» 1979
4. X. Ai, L. Guo, Y. Zou, Q. Li, H. Zhu / / Mater. Lett. 38 (1999) 131 - 135.
5. S. Lu, U. Sohling, T. Krajewski et al. / / J. Mater. Sci. Lett. 17 (1998) 2071 - 2073.
6. C. Wang, W. Zhang, X. Qian et al. / / Mater. Lett. 40 (1999) 255 - 258.
7. N. Parvathy, G. Pajonk et al. / / J. Cryst. Growth 179 (1997) 249 - 257.
8. V. Erokhin, P. Facci et al. / / Thin Solid Films 327 - 329 (1998) 503 - 505.
9. Y. Jiang, Y. Wu, B. Xie et al. / / J. Cryst. Growth 231 (2001) 248 - 251.
10. «Фізико-хімічні величини». Довідник. М.: «Вища школа», 1991.
11. P. Nemec, I. Nemec, P. Nahalkova, K. Knizek, P. Maly / / J. Cryst. Growth 240 (2002) 484-488.

7. Програми.




Московський Державний Університет
імені М.В. Ломоносова
Факультет наук про матеріали
Звіт по завданню спецпрактикуму
"Синтез нанокристалічних напівпровідникових частинок"
Студенти 5 курсу:
Орлов А.В.
Пентін І.В.
 
Керівники роботи:
к.х.н. Лукашин А.В.
Єлісєєв А. В.
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва - 2003
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Контрольна робота | 38.6кб. | скачати

Схожі роботи:
Осадження частинок
Динаміка частинок
Оболонкові будова елементарних частинок
Взаємодія бета частинок з речовиною
Польові моделі елементарних частинок
Взаємодія елементарних частинок з речовиною
Астрономічні експерименти з дослідження елементарних частинок
Астрономічні експерименти з дослідження елементарних частинок
Кваркова модель будови елементарних частинок
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru