Фрактальная структура и некоторые физические свойства карбидсодержащих катодных депозитов

Актуальность темы

.

В последнее время внимание ученых, изучающих твердое тело, привлечено к изучению сложных структур и процессов, которые реализуются в открытых энергетически диссипативных системах. Возникающие при этом структуры склонны к самоорганизации. Движущей силой самоорганизации диссипативных структур является стремление открытых систем к снижению производства энтропии при реализации нестационарных процессов. Во многих работах показано, что диссипативные структуры, самоорганизующиеся в открытых системах, являются фрактальными.

Одно из ярких проявлений фрактальной структуры вещества — это существование твердого состояния с чрезвычайно низкой плотностью. Такие сильноразреженные структуры, образующиеся при агрегации малых твердых частиц, называют фрактальными агрегатами. Интерес, проявленный к объектам, имеющим структуру фрактальных агрегатов, обусловлен по меньшей мере двумя причинами. Во-первых, такие объекты, как оказалось, являются довольно распространенными в природе. Во-вторых, фрактальные агрегаты являются основным структурообразующим элементом целого ряда макроскопических систем, возникающих в результате физико-химических процессов и явлений, сходных с процессом роста фрактальных агрегатов. Такие структуры обладают специфическими свойствами, такими как низкая плотность и теплопроводность, чрезвычайно развитая структура пор, высокая удельная поверхность, нелинейные свойства при взаимодействии с электромагнитными полями, высокая седиментационная устойчивость дисперсных частиц и т. д., которые привлекательны не только для физиков, но и для материаловедов, готовых использовать подобные структуры в новых технологиях.

Одной из подобных структур, в частности, является фрактальный углеродный депозит, полученный при осаждении углерода на катоде в результате распыления графита в электрической дуге, который обладает, как выяснилось, целым рядом интересных физических и химических свойств. В настоящее время актуальным является вопрос о получении в плазме электрической дуги и последующем изучении твердотельных фрактальных депозитов других веществ — карбидов бора и кремния. Как известно, эти вещества широко применяются в науке и технике, и создание на их основе материалов с новыми свойствами вызывает большой интерес.

Тематика данной диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденных Президиумом РАН (раздел 1.2. — «Физика конденсированных состояний вещества», подраздел 1.2.4. — «Мезоскопические явления»). Работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по госбюджетной теме НИР № ГБ.96.26 «Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники» .

Цель работы. Разработка способа получения, изучение механизмов формирования фрактальной структуры и некоторых физических свойств твердотельных фрактальных депозитов, содержащих В4С и Б 1С.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: разработать способ получения твердотельных фрактальных депозитов, содержащих В4С и БЮ. выяснить механизмы образования твердых дисперсных кластеров и закономерности их агрегации во фрактальные агрегаты, формирующие объемные структуры карбидсодержащих фрактальных депозитов. исследовать физические свойства карбидсодержащих фрактальных депозитов.

Научная новизна. В работе были получены следующие новые научные результаты: при распылении в плазме электрической дуги механической смеси графита и бора или кремния в прикатодном пространстве образуются кристаллические нанокластеры С, В4С и 81С размером 1−5 нм, имеющие округлую форму. Из нанокластеров по механизму реакционно-ограниченной агрегации (РОА) формируются фрактальные агрегаты малого размера (0.030.05 мкм), являющиеся основными структурообразующими элементами объемной фрактальной структуры карбидсодержащих депозитов, растущих на катоде. показано, что плотность карбидсодержащих депозитов составляет 5060% плотности их кристаллических аналогов, что свидетельствует о высокой степени их пористости и большой удельной площади внутренней поверхности. Структура карбидсо держащего фрактального депозита представляет собой каркас, образованный из жестко связанных фрактальных агрегатов различного размера. Жесткий каркас структуры и наличие карбидной фазы определяют повышенную микротвердость карбидсодержащих депозитов. показано, что фрактальный депозит, содержащий 81С, поглощает электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 360−470 нм в 15−30 раз больше, чем монокристаллический показано, что наличие сильно развитой поверхности у карбидсодержащих депозитов определяет некоторое снижение работы выхода электронов во фрактальных депозитах. показано, что карбид содержащие депозиты обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления, что обусловлено рассеянием носителей заряда на границах кластеров, образующих фрактальный агрегат.

Практическая значимость.

Повышенная пористость определяет хорошую адсорбционную способность карбидсодержащих фрактальных депозитов. Поэтому их можно использовать в качестве адсорбентов, для создания теплои звукоизолирующих покрытий. Фрактальная структура депозита, содержащего 81С, является нелинейной оптической средой и может служить поглотителем света в диапазоне длин волн Х=360−470 нм. Благодаря пониженной работе выхода карбидсодержащих фрактальных депозитов, эти материалы выгодно использовать в качестве катодных материалов, обладающих достаточно низкой работой выхода электронов. Кроме того, фрактальные депозиты могут служить модельным материалом в научных исследованиях для изучения механизмов образования и физических свойств фрактальных структур.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан способ получения твердотельных фрактальных карбидсодержащих депозитов на катоде, заключающийся в распылении в плазме электрической дуги механической смеси графита и бора или кремния.

2. Из образовавшихся в прикатодном пространстве кристаллических нанокластеров С, В4С, размером размером 1−5 нм на катоде по механизму РОА формируются фрактальные агрегаты малого размера (0.03−0.05 мкм), которые можно рассматривать в качестве основного структурообразующего элемента фрактальной объемной структуры карбидсодержащих депозитов.

3. Структура карбидсодержащих фрактальных депозитов является сильно пористой и представляет собой каркас, образованный из жестко связанных фрактальных агрегатов различного размера, что определяет наличие целого ряда особых физических свойств, таких, как повышенные микротвердость, адсорбционная способность, удельное электрическое сопротивление.

4. Наличие у карбидсо держащих депозитов сильно развитой поверхности с большим числом неровностей всех масштабов приводит к заметному увеличению поглощения депозитами электромагнитных волн в диапазоне 360−470 нм, а также определяет некоторое снижение работы выхода в этих структурах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на: III Международной конференции «Fullerenes and atomic clusters» (г.С.-Петербург, 1997 г.) — IV Международной конференции «Fullerenes and atomic clusters» (г.С.-Петербург, 1999 г.) — II Всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (г.Воронеж, 1999 г.) — III Всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (г.Воронеж, 2000 г.) — VII Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 2000 г.) — 39 и 40 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 1999, 2000 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ в виде 2 статей и 5 тезисов докладов. Цель исследований была поставлена научным руководителем д. т. н. профессором И. В. Золотухиным. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автором самостоятельно проведены эксперименты и принято участие в написании статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 108 страниц текста, включая 21 рисунок и библиографию из 77 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан способ получения карбидсодержащих твердотельных фрактальных структур путем электродугового распыления механической смеси графита и бора или кремния в плазме электрической дуги. Показано, что за время порядка 10″ с в прикатодном пространстве образуются нанокластеры графита и карбидов В4С и 8Ю размером 1−5 нм, имеющие округлую форму и являющиеся микрокристаллитами.

2. Фрактальные агрегаты малого размера (0.03−0.05 мкм), являющиеся основным структурообразующим элементом растущей на катоде объемной фрактальной структуры депозита, формируются из нанокластеров графита и карбидов по механизму РОА. Столбчатость объемной структуры предопределяется чувствительностью механизма РОА к наличию внешнего электромагнитного поля, возникающего при горении электрической дуги.

3. Показано, что плотность карбидсодержащих фрактальных депозитов составляет 50−60% плотности их кристаллических аналогов (1.7±0.1 г/см3 для о депозита, содержащего В4С и 1.6±0.1 г/см для депозита, содержащего 81С), что свидетельствует о высокой степени пористости и большой удельной л площади внутренней поверхности (б~900 м /г). Структура карбидсодержащего фрактального депозита представляет собой каркас, образованный из жестко связанных фрактальных агрегатов различного размера. Показано, что жесткий каркас структуры и наличие в ней карбидной фазы определяют повышенную микротвердость фрактальных депозитов. При нагревании величина микротвердости снижается, что в основном связано с происходящей при нагревании перестройкой структуры, приводящей к укрупнению фрактальных агрегатов, и со слиянием пор большого размера, что приводит к появлению микротрещин в структуре.

4. Экспериментально показано, что фрактальный депозит, содержащий БЮ, поглощает электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 360−470 нм в 15−30 раз больше, чем монокристаллический 81С вследствие наличия сильно развитой поверхности с большим числом неровностей всех масштабов. Это приводит к одновременному взаимодействию электромагнитной волны с близлежащими кластерами и является причиной усиления поглощательной способности.

5. Экспериментально показано, что наличие сильно развитой поверхности у карбидсодержащих депозитов также определяет некоторое снижение работы выхода в фрактальных депозитах. Так, значения работы выхода составляют 4.1 ±0.2 эВ и 4.510.2 эВ для депозитов, содержащих В4С и соответственно, тогда как работа выхода монокристаллических графита 4.7 эВ, карбида кремния 4.6−4.7 эВ, и карбида бора 4.4−4.5 эВ.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю — заслуженному деятелю науки Российской Федерации доктору технических наук профессору Ивану Васильевичу Золотухину за предложенную тему диссертации, выбор направления исследований, плодотворное обсуждение получаемых результатов и непрестанное внимание к работе кандидатам физико-математических наук Битюцкой Ларисе Александровне, Железному Владимиру Семеновичу, Иевлеву Валерию Павловичу за содействие в выполнении настоящей работы.