Применение неупорядоченных наноматериалов в газовых сенсорах нового поколения | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 7 ноября, печатный экземпляр отправим 11 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №20 (258) май 2019 г.

Дата публикации: 18.05.2019

Статья просмотрена: 7 раз

Библиографическое описание:

Чапанов, Н. С. Применение неупорядоченных наноматериалов в газовых сенсорах нового поколения / Н. С. Чапанов, И. А. Пронин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 20 (258). — С. 14-17. — URL: https://moluch.ru/archive/258/59175/ (дата обращения: 28.10.2020).



В статье описана возможность математического моделирования фрактальных агрегатов, полученных в ходе золь-гель синтеза, а также гибкого управления морфологией поверхности газочувствительных пленок.

Современные нанотехнологии обеспечивают высокое качество приборов функциональной электроники, включая газовые сенсоры, отличающиеся высокой чувствительностью, минимальными размерами, потребляемой мощностью, продолжительным сроком службы и низкой себестоимостью из-за применения таких методов, как золь-гель-технология.

За счёт адсорбции газа на ветвях полимерно-полупроводникового композита — рисунок 1, полученного путём спинодального распада коллоидного раствора, возникает эффект обогащения или обеднения поверхностного слоя носителями заряда. Это приводит к скачкообразному изменению сопротивления поверхности газочувствительной плёнки.

Рис. 1. Ветви полимерно-полупроводникового композита

Путём математического моделирования и обработки богатого экспериментального материала достигнута возможность гибкого управления морфологией поверхности газочувствительных плёнок.

Теоретические основы агрегации заложил Смолуховский. Если в начальный момент времени все частицы золя одинакового размера, то после периода агрегации золь будет иметь кластеры различных размеров — ni,nj, и т. д., где i, j — количество частиц в кластере. Основными предположениями являются:

– скорость агрегации пропорциональна квадрату концентрации;

– рассматриваются столкновения только двух (и не более) кластеров.

Таким образом, число столкновений Jij, происходящих между частицами размеров i и j в единицу времени и единице объема, определяется по формуле:

,

где kij является константой скорости второго порядка, которая зависит от ряда факторов (размер частиц, транспортный механизм и др.).

Необходимо рассмотреть скорость агрегации между частицами. Не все столкновения будут приводить к образованию агрегатов. Процент успешных соударений называется эффективной вероятностью соударения — ξ. При условии сильного отталкивания между частицами, сборка агрегатов практически отсутствует — ξ ≈ 0. Если же отталкивание между частицами оптимальное, то продуктом реакции является растущий агрегат.

Еще одно предположение заключается в том, что частота столкновений не зависит от взаимодействия агрегатов, а определяется только способом их транспортировки. Это предположение часто оправдано малой дальностью взаимодействия между частицами, которое работает в диапазоне, сравнимых с их размером.

Для нахождения скорости необходимо проанализировать транспортные механизмы в реальных золях, а именно: броуновская диффузия, движение жидкости и дифференциальное оседание. Предположим, что частицы имеют сферическую форму и эффективная вероятность соударения равна единице. Это предположения помогут получить результаты, которые иллюстрируют вклад различным механизмов агрегации. Необходимо учитывать еще то, что наблюдается только уменьшение, а не рост их концентрации. Кроме того, их потеря на самой ранней стадии вызвана столкновениями с такими же элементарными первичными агрегатами, т. к. в растворе содержится пренебрежительно мало агрегатов с большим числом частиц.

В частности, установлено, что скорость убыли концентрации молекул в растворе золей хорошо описывается уравнением Смолуховского:

,

где с0 — начальная концентрация; К — константа, зависящая от исходных условий синтеза.

Продукты золь-гель-синтеза из-за сборки, в результате броуновского движения молекул золя, являются фрактально организованными агрегатами. Путём математического моделирования и атомно-силовой микроскопии поверхности плёнок установлен внешний вид данных объектов — рисунок 2.

Рис. 2. Фрактальные агрегаты, полученные математическим моделированием и методом АСМ

Таким образом, путём изменения технологических режимов синтеза газочувствительных плёнок возможно воспроизведение морфологии поверхности.

Литература:

  1. Пронин И. А. Физико-химические особенности формирования иерархических наноструктур для сенсорных элементов: дис. — Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет» ЛЭТИ» им. ВИ Ульянова (Ленина), 2015.
  2. Аверин И. А., Игошина С. Е., Мошников В. А., Карманов А. А., Пронин И. А., Теруков Е. И. Чувствительные элементы датчиков вакуума на основе пористых наноструктурированных пленок SiO2-SnO2, полученных золь-гель методом // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 6. С. 143–147.
  3. Андреев Ю. Н., Бестаев М. В., Димитров Д. Ц., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Ярославцев Н. П. Методика исследований субмикровыделений в поликристаллических материалах методом внутреннего трения // Физика и техника полупроводников. 1997. Т. 31. № 7. С. 841–843.
  4. Калинина М. В., Мошников В. А., Тихонов П. А., Томаев В. В., Дроздова И. А. Электронно-микроскопические исследования структуры газочувствительных нанокомпозитов, полученных гидропиролитическим методом // Физика и химия стекла. 2003. Т. 29. № 3. С. 450–456.
Основные термины (генерируются автоматически): математическое моделирование, агрегат, гибкое управление, морфология поверхности, полимерно-полупроводниковый композит, скорость агрегации, частица, эффективная вероятность соударения.


Похожие статьи

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц

В данной статье рассматриваются основные модели агрегации коллоидных частиц и становление представлений о фрактальной структуре агрегатов. Проведен обзор с момента введения термина фрактал Б. Мандельбротом до современных моделей агрегации.

Моделирование агрегации кластеров в золях | Статья в журнале...

После первого столкновения с агрегатом частица считается жестко приклеенной к агрегату в месте соударения, затем другая частица стартует с окружности, и т. д. Если движущаяся частица диффундирует слишком далеко от агрегата (как типичное...

Управляемый синтез газочувствительных пленок диоксида олова...

После столкновения с агрегатом частица закрепляется на агрегате в месте соударения. Выявлено, что при увеличении выдержки золей

Моделирование агрегации кластеров в золях | Статья в журнале... После первого столкновения с агрегатом частица считается жестко...

Моделирование свойств композитов | Статья в журнале...

Особое место при синтезе композиционных материалов занимает математическое моделирование их свойств. Оно позволяет исследовать процессы с различным физическим содержанием, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями.

Математическое моделирование композитов по...

Математическое моделирование композитов по экспериментальным данным. Авторы: Пчелинцев Илья Алексеевич, Гарькина Ирина

5. Будылина Е. А., Гарькина И. А. Данилов А. М. Моделирование с позиций управления в технических системах / Региональная архитектура и...

Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА

Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные...

Исследование множественного рождения частиц...

Исследование множественного рождения частиц в адрон-адронных столкновениях при высоких энергиях.

Главная причина заключается в том, что в подавляющем большинстве соударений отнюдь не справедлива основная гипотеза образования единой компаунд-системы.

Самоорганизующиеся слои полианилина и их применение...

Сферическая морфология частиц меняется на одномерную: полимер растет в виде

Наиболее плотные и однородные пленки ПАНИ формируют частицы сферической структуры.

Детектирующий композит помещался в катушку индуктивности и служил своеобразным...

Идентификация и оптимизация физико-механических...

Прочность композитов зависит от степени наполнения, дисперсности и физико-химической активности поверхности наполнителя, адгезионной связи в

1. Будылина Е. А., Гарькина И. А., Сухов Я. И. Математическое моделирование кинетических процессов в дисперсных системах...

Похожие статьи

Развитие фрактальных моделей агрегации коллоидных частиц

В данной статье рассматриваются основные модели агрегации коллоидных частиц и становление представлений о фрактальной структуре агрегатов. Проведен обзор с момента введения термина фрактал Б. Мандельбротом до современных моделей агрегации.

Моделирование агрегации кластеров в золях | Статья в журнале...

После первого столкновения с агрегатом частица считается жестко приклеенной к агрегату в месте соударения, затем другая частица стартует с окружности, и т. д. Если движущаяся частица диффундирует слишком далеко от агрегата (как типичное...

Управляемый синтез газочувствительных пленок диоксида олова...

После столкновения с агрегатом частица закрепляется на агрегате в месте соударения. Выявлено, что при увеличении выдержки золей

Моделирование агрегации кластеров в золях | Статья в журнале... После первого столкновения с агрегатом частица считается жестко...

Моделирование свойств композитов | Статья в журнале...

Особое место при синтезе композиционных материалов занимает математическое моделирование их свойств. Оно позволяет исследовать процессы с различным физическим содержанием, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями.

Математическое моделирование композитов по...

Математическое моделирование композитов по экспериментальным данным. Авторы: Пчелинцев Илья Алексеевич, Гарькина Ирина

5. Будылина Е. А., Гарькина И. А. Данилов А. М. Моделирование с позиций управления в технических системах / Региональная архитектура и...

Применение композиционных материалов в конструкции БПЛА

Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные...

Исследование множественного рождения частиц...

Исследование множественного рождения частиц в адрон-адронных столкновениях при высоких энергиях.

Главная причина заключается в том, что в подавляющем большинстве соударений отнюдь не справедлива основная гипотеза образования единой компаунд-системы.

Самоорганизующиеся слои полианилина и их применение...

Сферическая морфология частиц меняется на одномерную: полимер растет в виде

Наиболее плотные и однородные пленки ПАНИ формируют частицы сферической структуры.

Детектирующий композит помещался в катушку индуктивности и служил своеобразным...

Идентификация и оптимизация физико-механических...

Прочность композитов зависит от степени наполнения, дисперсности и физико-химической активности поверхности наполнителя, адгезионной связи в

1. Будылина Е. А., Гарькина И. А., Сухов Я. И. Математическое моделирование кинетических процессов в дисперсных системах...

Задать вопрос