ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР Курс лекций Лабораторная работа: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ

Курс лекций
ФИЗИКА НАНОСТРУКТУР
Лабораторная работа: ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ
ПРОВОДИМОСТИ В УГЛЕРОДНЫХ
НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Целью работы
является знакомство с электрическими свойствами
углеродных
нанокомпозиционных
материалов,
методами их измерения и анализа; определение
механизмов проводимости в исследуемых материалах
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Измерение температурной зависимости сопротивления
В случае малого объемного содержания углеродных нанотрубок в композите,
неупорядоченном расположении нанотрубок в массиве, наличии структурных
дефектов и т.д. в нанокомпозитах или массивах нанотрубок механизмом
проводимости может быть прыжковая проводимость с переменной диной
прыжка. Температурная зависимость сопротивления для этого механизма
описывается следующей зависимостью:
R(T)=R0exp(TМ/T)1/n ,
где TМ – постоянная, зависящая от радиуса локализации и плотности
локализованных состояний в системе, n=1+d, d – размерность системы. Для
определения размерности системы из экспериментальных данных по
измерению температурной зависимости сопротивления, их анализ может
проводиться как методом спрямления в масштабе Ln R (Т –1/n) ( где n=2,3,4),
так и при помощи нелинейной аппроксимации программными средствами.
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
150
34
32
R (Ω)
R (Ω)
125
100
30
75
28
50
26
100
150
200
T (K)
250
300
25
0
50
100
150
T (K)
200
250
300
Температурная
зависимость
проводимости
массивов
однослойных
углеродных
нанотрубок. Линией показана
аппроксимация
зависимости
R(T)
в
области
низких
температур
законом
(2),
характерным
для
модели
флуктуационно-индуцированного
туннелирова-ния
носителей заряда. На вставке
показана
характерная
для
металлов зависимость R(T) в
области высоких температур.
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Измерение зависимости сопротивления от магнитного поля
Согласно теории магнитосопротивления для прыжковой проводимости, наблюдается
увеличение сопротивления в магнитном поле, обусловленное сжатием волновых
функций электронов в поперечном направлении при неизменности их в продольном
направлении. Это приводит к уменьшению вероятности туннелирования электронов и,
соответственно, к росту магнитосопротивления. Зависимость сопротивления от
магнитного поля в этом случае может быть описана законом:
R (T , B ) / R (T ,0) = exp[ K s (T ) B 2 ],
где параметр KS зависит от температуры:
e 2ξ 4 ⎡ TES ⎤
Ks =
C1= 2 ⎢⎣ T ⎥⎦
p
,
где e – заряд электрона, ξ – радиус локализации, C1 – безразмерная постоянная
величиной порядка 103, - постоянная Планка. Величина показателя p зависит от того,
существенно или нет влияние электрон – электронного взаимодействия на прыжковый
транспорт заряда. Так, в случае классического закона Мотта для трехмерных систем
p=3/4, а при наличии кулоновской щели в плотности состояний, т.е. при учете влияния
электрон – электронного взаимодействия p=3/2.
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Устройство и принцип работы установки
Общий вид установки для проведения измерений в
температурном диапазоне 1.6-325 К.
Криостат
представляет
собой
вакуумную камеру, в которой
находится вставка с образцом и
сверхпроводящий магнит (соленоид
из
сверхпроводящего
NbTi
провода).
Охлаждение
образца
производится в результате подачи
охлажденного газообразного Не
через игольчатый клапан. Для
возможности
регулировки
температуры
используются
2
нагревателя
(один
расположен
непосредственно
на
держателе
образца,
второй
–
в
теплообменнике,
находящимся
между игольчатым клапаном и
держателем образца).
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Схема установки для проведения измерений в температурном диапазоне 1.6-325 К
(ФВН – форвакуумный насос, ТМН – турбомолекулярный насос).
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Функции кнопок основного меню программы перечислены в таблиц
Основные параметры конфигурации системы
Проверка файлов зависимости температуры от времени,
создающихся при охлаждении установки для
диагностирования процесса охлаждения
Выбор типа измерений из предоставленного списка
Создание и редактирование программ проведения
измерений. Инструкции по сбору экспериментальных
данных
Запуск предварительно созданной программы по
проведению измерений
Инструкции по загрузке образца. Контроль
функционирования вентилей и насоса в процессе работы
системы
Инструкции по безопасному извлечению образца. Контроль
функционирования вентилей и насоса в процессе работы
системы
Выбор и просмотр ранее измеренных экспериментальных
данных
Выход из программы
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Вид панели инструментов, в которой
устанавливаются параметры
для проведения измерений и
производится запуск измерений.
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Панель редактирования программы измерений
Лабораторная работа:
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОВОДИМОСТИ
В УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Порядок работы
1. Ознакомьтесь с инструкцией по проведению измерений с помощью пакета Lab VIEW.
2. Запустите программу VSM Software c рабочего стола персонального компьютера.
3. Установите режим измерений сопротивления, нажав кнопку
основного меню и выбрав в появившемся списке Low-T RnX.
4. Войдите в панель редактирования программы измерений, нажав кнопку
в основном меню программы.
5. Нажмите кнопку Load sequence и выберите программу для проведения измерений температурной
зависимости сопротивления RT. Проверьте правильность заданных параметров измерений.
6. Закройте панель редактирования программы измерений, нажав кнопку CLOSE.
7. Запустите программу измерений, нажав кнопку
8. После окончания измерений проанализируйте экспериментальные данные с помощью программы
Origin Lab. Установите вид функциональной зависимости R(T) и сделайте вывод о механизме
проводимости в измеренном образце.