- •ВВЕДЕНИЕ
- •ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛКОКСИДОВ КРЕМНИЯ И МЕТАЛЛОВ С ЛИГИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
- •1.1. Методы синтеза материалов на основе ZrO2 и SiO2. Достоинства и недостатки
- •1.2.1. Монолитные материалы, полученные по золь-гель технологии на основе аморфного диоксида циркония
- •1.2.2. Тонкие кремнеземные пленки, полученные по золь-гель технологии
- •1.3 Использование в золь-гель синтезе неорганических соединений в качестве легирующих добавок
- •1.4. Важнейшие приемы золь-гель технологии: ультразвуковая обработка и режимы термообработки
- •1.5. Применение материалов на основе диоксида циркония и силикатных покрытий, содержащих легирующие добавки
- •Заключение по главе 1
- •2.1. Золь-гель синтез гелей на основе диоксида циркония с использованием в качестве прекурсора пропилата циркония (IV)
- •2.1.1. Золь-гель синтез порошков на основе диоксида циркония с использованием в качестве прекурсора пропилата циркония (IV)
- •2.1.2. Получение стеклообразных гелей «циркониевых стекол»
- •2.1.3. Получение аэрогелей на основе ZrO2 золь-гель методом
- •2.2. Синтез кремнезолей, содержащих соединения платины и палладия
- •2.2.1. Формирование силикатных покрытий, содержащих соединения платины и палладия
- •ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
- •3.1. Феноменологические наблюдения
- •3.1.1. Контроль процесса гелеобразования
- •3.1.2. Контроль состояния поверхности покрытий
- •3.2. Микроскопия
- •3.2.1. Оптическая микроскопия
- •3.2.2. Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
- •3.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
- •3.2.4. Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
- •3.3. Термический анализ
- •3.4. Спектроскопия
- •3.4.1. Спектроскопия
- •3.4.2. Рамановская спектроскопия
- •3.4.3. Метод спектрофотометрии
- •3.5. Рентгенофазовый и рентгенографический анализ
- •3.6. Метод низкотемпературной адсорбции газов
- •3.7. Спектральная эллипсометрия
- •3.8. Томография
- •3.9. Методы малоугового рассеяния
- •3.9.1. Метод малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) и ультрамалоуглового рассеяния нейтронов (УМУРН)
- •3.9.2. Метод малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (МУРР)
- •3.10. Метод рефлектометрии рентгеновского излучения
- •3.11. Метод спектрометрии RBS (метод резерфордовского обратного рассеяния)
- •3.12. Метод циклической вольтамперометрии
- •Заключение по главе 3
- •ГЛАВА 4. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СОСТАВОМ, СТРОЕНИЕМ И СВОЙСТВАМИ КСЕРОГЕЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ЗОЛЕЙ ПРОПОКСИДА ЦИРКОНИЯ
- •4.1. Влияние условий синтеза на процесс формирования золей в растворе и получения сухих гелей
- •4.2. Состояние поверхности ксерогелей на основе ZrO2
- •4.3. Зависимость мезоструктуры ксерогелей от рН раствора
- •4.4. Зависимость мезоструктуры ксерогелей от ультразвукового воздействия
- •Заключение по главе 4
- •ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СОСТАВОМ, СТРОЕНИЕМ И СВОЙСТВАМИ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ГЕЛЕЙ («ЦИРКОНИЕВЫХ СТЕКОЛ»), ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ПРОПОКСИДА ЦИРКОНИЯ
- •5.1. Влияние условий синтеза на процесс формирования и свойства стеклообразных гелей на основе ZrO2
- •5.2. Исследование влияния условий синтеза на характеристики пористостой структуры «циркониевых стекол»
- •5.4. Исследование фазового состава «циркониевых стекол»
- •5.6. Определение элементного состава «циркониевых стекол»
- •5.7. Оптические характеристики монолитных «циркониевых стекол»
- •Заключение по главе 5
- •ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СОСТАВОМ, СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ АЭРОГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
- •6.1. Влияние условий золь-гель синтеза на мезоструктуру и фазовый состав аэрогелей
- •6.2. Эволюция пористости и фазового состава аэрогелей в процессе термообработки
- •Заключение по главе 6
- •ГЛАВА 7. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗОЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЯ ПЛАТИНЫ И ПАЛЛАДИЯ
- •7.1. Исследование влияния длительности созревания и концентрации легирующих добавок соединений платины и палладия на морфологию поверхности и пористость кремнеземных пленок, допированных Pt и Pd
- •7.1.1. Платиносодержащие кремнеземные пленки
- •7.1.2. Палладий и платина-палладий- содержащие кремнеземные пленки
- •7.2.1. Седиментационная устойчивость и пленкообразующие свойства кремнезолей, допированных соединениями платины и палладия
- •7.2.2. Толщинный профиль платино- и палладий содержащих кремнеземных пленок
- •7.3. Фазовый состав платино- и палладийсодержащих ксерогелей и пленок
- •7.3.1. Фазовый состав допантов и размер наночастиц платины в кремнеземной матрице
- •7.3.2. Фазовый состав допантов и размер наночастиц палладия в кремнеземной матрице
- •7.3.3. Фазовый состав допантов и размер наночастиц в композитах, полученных из кремнезолей, содержащих одновременно соединения платины и палладия
- •7.3.4. Зависимость размера образующихся кристаллитов наночастиц Pt/Pd в кремнеземной матрице от способа ее формирования и количества прекурсора ТЕОС в исходном золе. Особенности структуры кристаллитов Pt/Pd, распределенных в кремнеземной матрице
- •7.4. Анализ химических процессов, происходящих при гелеобразовании и пленкообразовании в кремнезолях, содержащих соединения платины и палладия
- •7.4.1. Исследование влияния соединений платины на процессы структурообразования и пленкообразования в кремнезолях на основе ТЭОС
- •7.4.2. Исследование влияния одновременного присутствия в кремнезоле соединений платины и палладия на процессы структурообразования и пленкообразования
- •7.5. Применение силикатных пленок, легированных платиной и палладием, в качестве каталитических слоев в устройствах электронной техники и энергетики
- •Заключение по главе 7
- •ВЫВОДЫ
- •Перечень сокращений
- •Список использованной литературы
- •Приложение 1. Результаты термического анализа образцов с одновременным анализом состава отходящих газов для ксерогелей Zr_К_2, Zr_К_5 и Zr_К_8_УЗ.
- •Приложение 2. Результаты термического анализа образца с одновременным анализом состава отходящих газов для «циркониевого стекла» Zr_C_N_1V(iPrOH)-0,25V(H2O)-лед
49
3.4.4. Методы рентгеновской спектроскопии поглощения, EXAFS (спектроскопия протяжённой тонкой структуры рентгеновского поглощения) и
XANES (около пороговая тонкая структура рентгеновского спектра поглощения)
Измерения были выполнены на станциях Курчатовского специализированного источника синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» в геометрии пропускания с использованием двухкоординатного детектора ImagingPlate. Обработку и моделирование спектров проводили с помощью специализированных программ.
3.5. Рентгенофазовый и рентгенографический анализ
Рентгенофазовый анализ образцов на основе аморфного ZrO2 проводили на дифрактометре Rigaku D/MAX 2500 (CuKα-излучение) при скорости вращения гониометра 2°2θ/мин, от 2° до 80° 2θ,рабочее напряжение 45 кВ, ток 250 мА.
Рентгенофазовый анализ образцов кремнеземных гелей, содержащих платину и палладий, проводили с использованием порошкового рентгеновского дифрактометра D8-Advance «Bruker» (CuKα–излучение). Съемку образцов проводили в диапазоне от 5° до 90° (2θ) с шагом 0,0225°, рабочее напряжение 40 кВ, ток 40 мА.
Для получения рентгенограмм пленок, содержащих платину и палладий, применялся метод рентгеновской дифракции при скользящем падении рентгеновского пучка (GiXRD) на дифрактометре Rigaku SmartLab (CuKα, 45 kV, 200 mA) CuKα–
излучение, рабочее напряжение 45 кВ, ток 200 мА (ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина, Россия). Для расшифровки дифрактограмм использовали банк данных JCPDS [131]. Рентгенографический метод (РГА) использовали для определения важной
количественной характеристики структуры синтезированных образцов гелей, ксерогелей |
|||||||||
проводили по формуле Дебая - Шеррера [132, 133] |
ОКР |
|
|
|
ОКР |
||||
и аэрогелей – |
размера областей |
когерентного рассеяния |
( |
, |
|
). Расчет |
|
||
|
|
Dhkl = |
Kλ |
|
|
|
|
|
|
|
|
[βhkl (2θ) − s]cosθ |
, |
|
|
|
|
(3.1) |
|
где θ – положение максимума пика, λ – длина волны рентгеновского излучения CuKα |
|||||||||
(0.154056 нм), |
|
– полное физическое уширение дифракционного максимума, s – |
|||||||
|
инструментальное уширение (0.10). Значение константы Шеррера (К) принимали равным 1. Для определения значения β после вычета фона проводили математическое описание
50
профиля рентгеновских пиков с помощью псевдо-функций Фойгта в программе OriginPro 7.5. Относительная погрешность определения размеров ОКР составила 10%.
Содержание моноклинной (m-ZrO2) и тетрагональной (t-ZrO2) модификаций диоксида циркония в полученных образцах по данным рентгеновской дифракции определяли с использованием следующих соотношений [134]:
x = |
Im (111) + Im (111) |
, |
|
||
Im (111) + Im (111) + It (111) |
(3.2) |
||||
|
Vm = |
1.311x |
|
|
|
|
1+ 0.311x |
|
(3.3) |
||
|
|
|
|||
|
Vt |
=1−Vm |
|
(3.4) |
где Im (111) , Im (111) - интегральные интенсивности дифракционных максимумов (111) и (111) m-ZrO2, It (111) - интегральная интенсивность максимума (111) t-ZrO2 , Vm и Vt – объемные доли моноклинной и тетрагональной модификаций диоксида циркония в анализируемых образцах.
3.6. Метод низкотемпературной адсорбции газов
Измерения удельной площади поверхности ксерогелей, гелей и аэрогелей на основе аморфного ZrO2 проводили методом низкотемпературной адсорбции азота с использованием анализатора АТХ-06 (Катакон, Россия), предварительно все образцы измельчали в порошок в агатовой ступке. В качестве газа-носителя использовали азот марки А. Перед измерениями образцы дегазировали при 150°С на воздухе в течение 30 минут. На основании полученных данных рассчитывали величину удельной поверхности образцов с использованием модели Брюнауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) по 8 точкам.
3.7. Спектральная эллипсометрия
Оптические характеристики стеклообразных сухих гелей на основе ZrO2 были определены с использованием спектрального эллипсометра UVISEL 2 HORIBA (Horiba Scientific, Japan). Для получения эллипсометрических данных был синтезирован образец геля с одной абсолютно плоской гранью. Спектры оптического пропускания и отражения были измерены в диапазоне длин волн от 207 до 2067 нм (соответственно, 6,0 - 0,6 эВ). Оптические константы были рассчитаны с помощью эллипсометрических данных