Характеристика органического вещества палеозойских пород

СЕКЦИЯ 3. НАНОТЕХНОЛОГИИ И ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ
СВОЙСТВАМИ
ПОЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА, ПОКРЫТЫХ НАНОСТЕРЖНЯМИ
СУЛЬФИДА ЦИНКА, МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО
ДИСПЕРГИРОВАНИЯ
Ажгихин М. И., Иртегов Ю.А., Ан В. В.
ashg@sibmail.com
Национальный Исследовательский Томский политехнический университет
Аннотация. В данной работе исследуется возможность получения частиц оксида цинка, покрытых
наностержнями сульфида цинка, методом электроискрового диспергирования в среде пероксида
водорода. В процессе электрического диспергирования происходит рост наностержней сульфида цинка
на поверхности частиц оксида цинка. Приведены результаты исследования морфологии полученных
порошков.
Введение
Сульфиды и оксиды цинка являются перспективными материалами для использования их в качестве
полупроводниковых материалов и люминофоров. Как известно, люминофоры – это синтетические
вещества, способные преобразовывать различные виды энергии в световую [4]. В связи с данной
способностью исследуемых веществ, является возможным их применение в качестве высоко эффективных
электрооптических устройств: cветоизлучающих диодов, лазеров и фотодиодов УФ-видимого диапазона,
преобразователей солнечной энергии, сенсоров химических и биологических веществ, микро - и
наноэлектромеханических систем (фильтры и генераторы на объемных акустических волнах, датчики
вибраций, акселерометры, пьезоэлектрические преобразователи энергии).
Целью данной работы является исследование процессов получения частиц оксида цинка, покрытых
наностержнями сульфида цинка электроискровым методом в среде пероксида водорода.
В последнее время активно развивается метод получения оксидов металлов с помощью
электроимпульсного диспергирования в жидких средах. Весьма интересным направлением является
применение импульсного электрического разряда в слое металлических гранул, помещаемых в жидкую
среду. При действии электрических импульсов в загрузке наблюдаются электрические разряды в виде искр
по всему видимому объему. Вводимая энергия действует на электроды, и расположенные между ними
металлические гранулы, приводя их к эрозии и образованию высокодисперсных частиц [1, 2].
Механизм эрозии в условиях электрического разряда состоит из двух процессов: плавление материала
металлических гранул и электродов при наложении импульсов напряжения с последующим выбросом
материала в виде капель расплавленного металла и испарение материалов среды и электродов с
образованием плазмы. Далее происходит поверхностное взаимодействие расплавленного металла с
жидкой средой и ее компонентами при быстром охлаждении среды. Результатом такого взаимодействия
после окончания процесса могут быть частицы, состоящие из металлического ядра, закрытого пленкой
продуктов взаимодействия металла и дисперсионной среды [3].
Получение окисда цинка может происходить несколькими возможными путями. Один из них –
взаимодействие эродированного цинка с водой:
Zn+H2O=ZnO+H2
При добавлении пероксида водорода в раствор происходит его термическое и каталитическое
разложение на поверхности металла:
2H2O2=2H2O+O2
После разложения пероксида водорода происходит аэрация системы, благодаря чему процесс
окисления металла проходит быстрее:
Zn+0.5O2=ZnO
В системе также может происходить взаимодействие оксида цинка с пероксидом водорода, благодаря
чему образуется диоксид цинка:
ZnO+H2O2=ZnO2+H2O
65
При просушке полученного образца при 60 0C происходит разложение диоксида цинка на оксид цинка и
кислород:
ZnO2→ZnO+0.5O2
В данной работе в среду, в которой проводится синтез оксида цинка, добавляли сульфид цинка,
полученный методом СВС. Под СВС обычно понимают протекание сильно экзотермической химической
реакции при температурах, развиваемых в результате саморазогрева вещества. Характерная особенность
процесса – высокая температура, при которой протекает реакция, возникают в ходе самой реакции за счет
освобождения химической энергии исходной системы и не связаны с подводом энергии извне [5].
Экспериментальная часть
Реакция для получения сульфида цинка осуществляется в режиме СВС. Для получения сульфида цинка
были взяты в стехиометрическом составе сера марки ОСЧ и нанопорошок цинка, полученный методом
искрового разряда в среде гексана. После того, как получили смесь порошков цинка и серы, производили
прессование шихты в таблетку. Далее помещали таблетку в камеру синтеза под давлением аргона 30
атмосфер. Во избежание испарения серы во время реакции, таблетка помещалась внутрь цилиндра из
жаропрочного стекла Pirex. СВС инициировался путем нагрева нихромовой спирали при пропускании
через нее электрического тока. Так как реакция синтеза является экзотермической, то выделенного
нихромовой спиралью тепла хватает для нагрева последующих слоев, что и вызывает реакцию по объему
всей таблетки. Температуру горения измеряли вольфрам-рениевой термопарой с записью осциллографом
Tektronix TDS 2041B. Температура синтеза сульфида цинка превышает 1700 0C. Конечный продукт
синтеза представляет легко разрушаемый спек.
Синтез частиц ZnO-ZnS осуществляли в сосуде из огнеупорного диэлектрического фарфора, на дно
которого помещали цинковые гранулы диаметром около 5 мм и массой около 100 г, используемые в
качестве проводящей загрузки. В сосуд опускали цинковые электроды и заливали 200мл 40% H2O2.
Электроды присоединяли к источнику импульсных токов с двухконтурной схемой со следующими
характеристиками: длительность импульсов 10 мкс с частотой следования импульсов 100 Гц, напряжением
500 В и током первого полупериода импульса 250 А. По мере воздействия электрического тока на цинк
добавляли в сосуд полученный методом СВС сульфид цинка массой 0,1 г. При обработке электрическим
разрядом цинковых гранул, погруженных в рабочий раствор, происходит образование суспензии,
состоящей из частиц эродированного металла, частиц ZnO-ZnS и раствора. В процессе электрического
диспергирования происходит рост нанострержней сульфида цинка на поверхности частиц оксида цинка.
Результаты и их обсуждение
Полученный продукт представляет собой порошок из сферических частиц оксида цинка, на
поверхности которых находятся наностержни сульфида цинка. На рисунках 1, 2 представлены
изображения поверхности полученного порошка.
Рис. 1. СЭМ-фотография порошка ZnO
Рис. 2. СЭМ-фотография нанострежней ZnS
На рис. 1, 2 видно, что частицы порошка сульфида цинка имеют диаметр порядка 10 мкм, средняя
толщина наностержней находится в диапазоне от 30 до 40 нм, а значение длины наностержней – около 300
нм.
Выводы
1. Исследованы процессы получения частиц оксида цинка, покрытых наностержнями сульфида цинка
(ZnO-ZnS) методом электрического диспергирования в среде пероксида водорода.
66
2. Согласно результатам сканирующей зондовой микроскопии, конечный продукт представляет порошок, в котором на частицах оксида цинка находятся наностержни сульфида цинка.
Литература
1. Н.Б. Даниленко, Г.Г. Савельев, Н.А. Яворовский, Т.А. Юрмазова. Химические реакции, протекающие при электроимпульсном диспергировании железа в водных растворах // ЖПХ. 2008. Т. 81. Вып. 5. С.
768 – 773.
2. Н.Б. Даниленко, Г.Г. Савельев, Н.А. Яворовский, Т.А. Юрмазова, А.И. Галанов, П.В. Балухтин.
Изучение состава и кинетики образования продуктов эрозии металлической загрузки электроразрядного
реактора // ЖПХ. 2005, Т. 78. Вып. 9. С. 1463 – 1468.
3. А.И. Галанов, Т.А. Юрмазова, В.А. Митькина, Г.Г. Савельев, Н.А. Яворовский, Г.Л. Лобанова.
Магнитные наночастицы, получаемые электроимпульсным методом, их физико-химические свойства и
взаимодействие с доксорубицином и плазмой крови // Перспективные материалы. 2010. №4. С. 49-55.
4. Зефиров Н.С. Химическая энциклопедия. Издательство «Большая российская энциклопедия», М.
Т. 2, С. 673, 1998.
5. А. Г. Мержанов. Проблемы горения в химической технологии и металлургии. // Успехи химии. –
1976. – Т. 45. – № 5. – с. 826.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМОВ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Айжигитов Д.М., Постников Д.В.
daniel5555@mail.ru
Омский государственный технический университет
Важнейшим параметром, необходимым для практического применения ионной имплантации, является
величина пробега ионов в твердом теле. Для расчета распределения ионно имплантированных атомов
заимствован метод из работы [1]. Из-за того, что число столкновений движущегося иона с атомами
мишени носит случайный характер, траектории ионов и их пробеги в твердом теле будут отличаться друг
от друга. Например, в определенных условиях некоторая часть ионов вообще отражается от мишени.
Следовательно, мы должны при описании процесса ионной имплантации говорить не об индивидуальных
траекториях, а о распределении ионов по пробегам, которое будем описывать функцией
WR(R,E1,Z1,Z2,M1,M2). WR  плотность вероятности того, что ион с энергией E1 пройдет в веществе (Z2,M2)
путь длиной R. Функция WR(R,E) удовлетворяет кинетическому уравнению Больцмана, которое можно
представить в виде:
WR(E,R)/ R=N
Emax

dn {WR[(E-E2),R]WR[(E,R)} – N(E)Se(E)  WR(E,R)/R (1)
0
Это уравнение справедливо при следующих допущениях:
 вещество, с которым взаимодействует внедряемый ион, является аморфным;
 упругие и неупругие потери энергии не зависят друг от друга;
 приближение бинарных столкновений;
 потери энергии в каждом упругом взаимодействии много меньше, чем энергия иона;
 флуктуации потерь энергии иона в упругих столкновениях много больше, чем в неупругих.
Поэтому уравнение (1) мало пригодно для случаев низкоэнергетичной ионной имплантации и при
облучении мишеней с большим порядковым номером легкими ионами. Точное решение уравнения (1)
представляет собой очень сложную задачу. Обычно поступают следующим образом: заранее
предполагают вид функции, аппроксимирующей искомое распределение. Можно сразу отметить
некоторые очевидные свойства WR(E,R).
1. В моноатомных мишенях WR(E,R) имеет один максимум.
2. При R   WR(E,R)  0.
3. Часто WR(E,R) достаточно симметрична.
Наиболее простой и вместе с тем удобной в использовании является аппроксимация WR(E,R)
нормальным (гауссовским) распределением:
67