Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров



Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров

 


Владельцы патента RU 2548395:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО ТГТУ (RU)

Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров может найти применение в электронике, радиотехнике, природоохранной, химической и нефтяной отраслях для контроля качества проведения технологических процессов и качества готовой продукции, например, при создании полимерных нанокомпозитов, функциональных электронных и радиотехнических элементов. Технической задачей является повышение точности определения концентрации наночастиц в аморфных средах любой природы путем уменьшения влияния фоновых токов на результат измерения. Поставленная задача решается тем, что создается измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя исследуемого материала между ними, полученная измерительная ячейка помещается в низкотемпературную среду, в которой фоновые токи достигают своего минимального значения и не оказывают существенного влияния на результат измерения, затем измерительная ячейка включается в цепь и снимается вольт-амперная характеристика, по которой определяются значения резонансных потенциалов и соответствующие им значения резонансных токов, далее полученные значения резонансных потенциалов сравниваются с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляется идентификация наночастиц в исследуемом материале, затем готовится эталонный образец материала с низкой концентрацией идентифицированных наночастиц, формируется измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев проводящего материала и эталонного материала между ними, полученная эталонная измерительная ячейка помещается в низкотемпературную среду и включается в цепь, после чего снимается вольт-амперная характеристика, по которой определяются резонансные потенциалы и соответствующие им значения резонансных токов, на основании полученных значений резонансных токов в исследуемом и эталонном образцах, а также известного значения концентрации в эталонном образце рассчитывается концентрация наночастиц в исследуемом образце.

 

Предлагаемое изобретение относится к области физических измерений и может найти широкое применение в промышленности для анализа аморфных сред на наличие в них наночастиц различных видов.

Известен способ, реализуемый на полупроводниковом устройстве (патент US 6031245, H01L 29/06, 29.02.2000), состоящем из двух активных пленок, расположенных между двумя барьерными слоями, позволяющий по величине резонансного пика на вольт-амперной характеристике прибора определять наличие наночастиц в контролируемой среде.

Недостатком этого способа является невозможность его применения для идентификации наночастиц и определения их концентрации в аморфных веществах.

Также известен способ (патент US 4780749, H01L 29/88, 25.10.1988), реализуемый на двухбарьерном туннельном диоде с модифицированным инжекционным слоем, использование которого позволяет идентифицировать наночастицы в исследуемой среде по значениям напряжения, при котором происходит туннелирование электронов через двойной потенциальный барьер.

Недостатком способа является невозможность его применения для идентификации наночастиц и определения их концентрации в веществах с неупорядоченной кристаллической решеткой.

За прототип принят способ, реализуемый на основе резонансно-туннельной структуры с встроенным слоем исследуемой среды, содержащей наночастицы, идентификация и измерение концентрации которых осуществляется путем сравнения резонансных потенциалов вольт-амперной характеристики измерительной ячейки с базой данных резонансных потенциалов различных видов наночастиц, при этом концентрация наночастиц определяется по величине резонансного тока.

Недостатком данного способа является его низкая точность при определении концентрации наночастиц в аморфных веществах, таких как полимеры и неорганические диэлектрики с неупорядоченной структурой. Это явление обусловлено влиянием собственных примесей и дефектов аморфных веществ на величину результирующего тока, по величине которого судят о концентрации наночастиц в исследуемой среде.

Техническая задача изобретения заключается в повышении точности определения концентрации наночастиц в аморфных веществах различной природы.

Поставленная техническая задача решается тем, что для определения концентрации наночастиц в исследуемой среде измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев металла и наноразмерного слоя исследуемого вещества, включается в измерительную цепь и помещается в низкотемпературную среду (Т=77 К), в которой величина фоновых токов, обуславливающих высокую погрешность измерений при нормальной температуре (Т=300 К), значительно сокращается, а величина резонансного тока увеличивается, способствуя повышению точности измерений в несколько раз (фиг.1).

В основе предложенного метода лежит так называемый «эффект размерного квантования», который заключается в том, что спектр энергий наноразмерных частиц является дискретным и принимает строго определенные значения (Е1, Е2, Е3…Еn) в зависимости от размера, материала и вида наночастицы (Демиховский В.Я. Физика квантовых низкоразмерных структур/В.Я. Демиховский, Г.А. Вультер. - М.: Логос, 2000. - 248 с.). Эта зависимость может быть использована в измерительных целях для идентификации наночастиц и определения их концентрации в исследуемом образце. Для этого необходимо сформировать измерительную ячейку (фиг.2), состоящую из двух инжекционных слоев металла 1,4 и слоя исследуемого материала 2 с наночастицами 3, которые образуют многочисленные потенциальные барьеры и потенциальные ямы с квантованными уровнями энергии Е1, Е2, Е3, …, Еn. При включении данной структуры в цепь и приложении к ней внешнего напряжения U величина тока, протекающего через измерительную ячейку, будет равна (Davies, J.Н. (1998). The physics of low-dimensional semiconductors: an introduction, Cambridge University Press, Cambridge.):

где IР(U) - ток, обусловленный резонансным туннелированием через двухбарьерную структуру; IФ(U) - фоновый ток, возникающий в результате термоэлектронной эмиссии, ловушечной и примесной проводимости диэлектрической матрицы, а также нерезонансного туннелирования через более высокие квазистационарные уровни; S0 - площадь поперечного сечения туннельно-резонансной структуры; Sx - площадь, которую занимают наночастицы в общей площади S0 поперечного сечения туннельно-резонансной структуры; JP(U) - плотность резонансно-туннельного тока; JФ(U) - плотность фонового тока. При этом плотности резонансного JP(U) и фонового JФ(U) токов находятся по формулам:

где e - заряд электрона, равный 1,602176565(35)·10-19 Кл; m - эффективная масса электрона; kB - постоянная Больцмана, равная 1,3806488(13)·10-23 Дж·К-1; ΔЕr - ширина резонансного пика, Дж; ħ - постоянная Планка, равная 1,054·10-34 Дж·с; ЕF - энергия уровня Ферми, Дж; Еr - энергия резонансного уровня, Дж; U - приложенное напряжение, В; T - температура, К; β - эмпирический коэффициент неидеальности.

Расчеты, сделанные на основе зависимостей (1-3), показывают наличие локальных максимумов тока I1 I2, I3, …, In на вольт-амперной характеристике измерительной ячейки, которые возникают при совпадении квантованных уровней энергии Е1, Е2, Е3, …, Еn наночастиц, содержащихся в исследуемой среде, с потенциалом внешнего электрического поля U1, U2, U3, …, Un. При этом значение потенциала внешнего электрического поля в вольтах равно значению энергии квантованных уровней в электронвольтах (Физическая энциклопедия /Гл. Ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т.5. Стробоскопические приборы - Яркость. 1998. С.545).

Количество квантованных уровней и их значения (Е1, Е2, E3, …, Еn) однозначно определяются видом наночастиц в исследуемой среде и позволяют провести их идентификацию, используя заранее рассчитанные значения квантованных уровней энергии для каждого конкретного вида наночастиц (Заводинский В.Г. Компьютерное моделирование наночастиц и наносистем / В.Г. Заводинский. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 176 с.).

Проведенные экспериментальные исследования показали, что величина максимумов тока I1, I2, I3, …, In на вольт-амперной характеристике зависит от концентрации наночастиц в исследуемом материале. При температуре окружающей среды Т=300 К эта зависимость носит нелинейный характер, а резонансные всплески тока слабо выражены, что обусловлено большим влиянием на результирующий ток I(U) фоновой составляющей IФ(U), которая возникает в результате термоэлектронной эмиссии, ловушечной и примесной проводимости диэлектрической матрицы, а также нерезонансного туннелирования через более высокие квазистационарные уровни. В связи с этим получить однозначную зависимость тока I(U) от концентрации наночастиц в исследуемом материале достаточно сложно.

Решить данную проблему можно путем уменьшения температуры среды, в которой находится измерительная ячейка, вплоть до температуры жидкого азота (Т=77 К). При этой температуре фоновая составляющая IФ(U) стремится к нулю, а результирующий ток I(U) практически полностью определяется резонансной составляющей Jp(U):

При этом Sx зависит от концентрации Сх наночастиц как:

Для образца материала с заранее заданной концентрацией Сэт наночастиц с учетом (4) и (5) величина резонансного тока равна:

Для исследуемого образца с искомой концентрацией Сх величина резонансного тока равна:

Совместное решение уравнений (6) и (7) позволяет получить выражение для расчета концентрации наночастиц в исследуемом материале Сх по величинам резонансных токов Ipx(U), Ipэт(U) и на основании известной концентрации наночастиц в эталонном образце Сэт:

Для максимального исключения взаимного влияния сопутствующих наночастиц на результаты измерения необходимо усреднить полученные значения концентраций по всем квазистационарным состояниям:

Для идентификации и определения концентрации наночастиц в исследуемом материале на основании полученных выражений (8)-(9) используется следующая методика.

На первом этапе формируется измерительная ячейка, содержащая образец исследуемого материала с неизвестной концентрацией неидентифицированных частиц. Для ее изготовления из исследуемой среды отбирают пробу, смешивают ее с растворителем (спирт, ацетон и т.д.), полученную субстанцию распыляют в закрытом объеме и осаждают на поверхность первого инжекционного слоя, в качестве которого используются пластины металла или полупроводника. Время осаждения выбирают таким образом, чтобы толщина осажденного слоя была равна 30-40 нм. После завершения процесса осаждения проводят сушку полученной структуры при температуре 100°C в течение 10-15 минут. Затем к поверхности осажденного слоя прикладывают полированную пластину из проводящего материала (медь, алюминий, серебро и т.д.), которую предварительно нагревают до 100°C для обеспечения более прочного соединения с осажденным слоем. В результате получают измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев металла или полупроводника с тонким слоем исследуемого материала между ними.

Далее полученную измерительную ячейку 1 помещают в криостат 2 при температуре Т=77 К и включают в измерительную цепь (фиг.3), состоящую из последовательно соединенных блока питания 3, регистратора тока 4, переменного резистора 5 и параллельно подключенного регистратора напряжения 6. С помощью переменного резистора меняют напряжение на измерительной ячейке от 0 В до 10 В, при этом на регистраторе тока и регистраторе напряжения измеряют значения тока и напряжения, по которым строят вольт-амперную характеристику.

По графику вольт-амперной характеристики определяют резонансные потенциалы U1, U2, U3, …, Un, при которых наблюдаются локальные максимумы тока Iрх1, Iрх2, Iрх3, …, Iрхn. Полученные значения потенциалов U1, U2, U3, …, Un, соответствующие квантованным уровням энергии E1, Е2, Е3, …, Еn содержащихся в исследуемой среде наночастиц, сравнивают с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляют идентификацию наночастиц в исследуемой среде. Базы данных резонансных потенциалов для различных видов наночастиц получают на основании квантово-механических моделей, построенных методами молекулярной механики и квантовой химии, с использованием специализированных компьютерных программ (MoDyp©, DockSearch, SPARTAN, Alchemy 2000, NAMD, VMD, GROMACS, HyperChem).

После идентификации наночастиц в исследуемой среде подбирают эталонный образец материала с известной концентрацией Сэт данных наночастиц. При этом в качестве эталонного образца выбирается материал с предельно низкой концентрацией наночастиц, что позволяет значительно снизить стоимость исследований.

Затем формируют вторую измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя эталонного материала между ними. Для создания второй измерительной ячейки с эталонным материалом используется та же технология, что и для получения первой измерительной ячейки, содержащей исследуемый материал. При этом толщины осажденных слоев эталонного и исследуемого материалов в первой и второй измерительных ячейках должны быть равны.

Полученную измерительную ячейку 1 с эталонным материалом помещают в криостат при температуре Т=77 К и включают в измерительную цепь (фиг.2). С помощью переменного резистора 3 меняют напряжение на измерительной ячейке от 0 В до 10 В, при этом на регистраторе тока 2 и регистраторе напряжения 4 измеряют значения тока и напряжения, по которым строят вольт-амперную характеристику. По графику вольт-амперной характеристики определяют значения локальных максимумов тока Ipэт1, Ipэт2, 1рэт3, …, Iрэтn и соответствующие им значения резонансных потенциалов U1, U2, U3, …, Un. Совпадение значений резонансных потенциалов на вольт-амперных характеристиках эталонного и исследуемого образцов свидетельствует об идентичности наночастиц в обоих образцах. На последнем этапе по формуле (8), используя известное значение концентрации наночастиц Сэт в эталонном образце, измеренные значения локальных максимумов тока Iрэт1, Iрэт2, Ipэт3, …, Ipэтn для эталонного образца и значения максимумов тока Ipx1, Ipх2, Ipх3, …, Ipxn для исследуемого образца, рассчитывают значения концентрации наночастиц Сх в исследуемом образце при всех резонансных потенциалах U1, U2, U3, …, Un и далее по формуле (9) определяют среднее значение концентрации Сх.ср частиц в исследуемом образце.

Предложенный способ в отличие от способа, взятого за прототип, позволяет проводить идентификацию наночастиц в аморфных средах любой природы, а также с высокой точностью измерять их концентрацию благодаря тому, что измерительная ячейка, содержащая исследуемый материал с наночастицами, помещается в низкотемпературную среду (Т=77К), в которой фоновые токи, вызванные собственной примесной проводимостью аморфного материала и обуславливающие большую погрешность измерений при обычной температуре (T=300К), достигают своих минимальных значений и не оказывают существенного влияния на результат измерений. Дополнительным достоинством метода является возможность использования эталонного образца с низкой концентрацией наночастиц, что значительно снижает затраты на производство эталонных образцов, содержащих дорогостоящие наночастицы благородных металлов, фуллеренов и т.д.

Предложенный способ может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, при создании функциональных материалов на основе наночастиц и полимеров, для контроля параметров полупроводниковых элементов на основе гетероструктур в ходе их производства, а также для экологического мониторинга состояния окружающей среды.

Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров, согласно которому формируют измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя исследуемого материала между ними, включают полученную измерительную ячейку в цепь и снимают вольт-амперную характеристику, по которой определяют значения резонансных потенциалов и соответствующие им значения резонансных токов, затем полученные значения резонансных потенциалов сравнивают с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляют идентификацию наночастиц в исследуемом материале, далее готовят эталонный образец материала, содержащий известное количество идентифицированных частиц, и формируют измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и эталонного материала между ними, включают полученную эталонную измерительную ячейку в цепь и снимают вольт-амперную характеристику, по которой определяют резонансные потенциалы и соответствующие им значения резонансных токов, на основании полученных значений резонансных токов в исследуемом и эталонном образцах, а также известного значения концентрации в эталонном образце рассчитывают концентрацию наночастиц в исследуемом образце, отличающийся тем, что измерительную ячейку с исследуемым и эталонным образцами материала погружают в низкотемпературную среду, в которой фоновые токи, вызванные собственной примесной проводимостью аморфного материала и обуславливающие большую погрешность измерений при обычной температуре, достигают своих минимальных значений и не оказывают существенного влияния на результат измерений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам изготовления функциональных элементов наноэлектроники и вычислительной техники и может быть использовано для изготовления одноэлектронных логических схем, схем одноэлектронной памяти, работающих при комнатной температуре.

Изобретение относится к туннельным приборам, а именно к функциональным элементам наноэлектроники и вычислительной техники, и может быть использовано для приборного и схемотехнического применения нанотехнологии, например для построения одноэлектронных логических схем, создания схем одноэлектронной памяти, работающих при комнатной температуре.

Изобретение относится к структурам на основе металл - диэлектрик - металл и может быть использовано в квантовых приборах и интегральных схемах. .

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к функциональным элементам интегральных схем, и может быть использовано в генераторных схемах, а также в вычислительной, измерительной и усилительной технике.

Предложенное изобретение относится к технике получения дисперсных частиц на основе различных материалов, которые могут быть использованы для изготовления различных функциональных изделий и приборов.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС).

Изобретение относится к энергетическому кабелю для передачи или распределения электроэнергии, особенно электроэнергии среднего или высокого напряжения. Кабель содержит по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один электроизоляционный слой, окружающий указанный электрический проводник, при этом по меньшей мере один электроизоляционный слой содержит: (a) термопластичный полимерный материал, который выбран из по меньшей мере одного сополимера (i) пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, за исключением пропилена, причем у указанного сополимера температура плавления составляет 130°C и более и энтальпия плавления составляет 20-90 Дж/г; (b) по меньшей мере один наноразмерный неорганический наполнитель.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для маркирования молекул, квантовой обработки информации, магнитометрии и синтеза алмаза химическим осаждением из газовой фазы.

Изобретение относится к биотехнологии. Описаны вакцины против гриппа, содержащие антиген штамма А/Калифорния/7/09 (H1N1) и адъювант, представляющий собой сферические аморфные наночастицы бетулина, или модифицированный фуллерен, или наночастицы гидроксиапатита.
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургической оториноларингологии. Выполняют разрез слизистой оболочки и надхрящницы от перегородки носа до места прикрепления нижней носовой раковины.
Изобретение относится к области медицины и ветеринарии, а именно - направленной доставке лекарственных средств в живом организме. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение адресной доставки лекарственного средства в онкологическую опухоль и повышения локальности доставки лекарств в опухоль.

Изобретение относится к способу получения катализатора путем покрытия ячеистых тел кристаллическим слоем металла с каталитическими свойствами. Перед нанесением покрытия на поверхности ячеистых тел кристаллического слоя металла упомянутые поверхности предварительно покрывают порошком из драгоценных металлов, имеющим размер частиц <10 мкм.

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике. Способ создания сверхбыстродействующего вакуумного туннельного фотодиода с наноструктурированным эмиттером включает измерение фототока вакуумного фотодиода, возникающего при облучении непрерывным или импульсным оптическим излучением эмиттера при установке определенного значения ускоряющего напряжения на аноде, при этом облучают планарную поверхность наноструктурированного эмиттера лазерным пучком с длиной волны, выбранной из УФ-, видимого или ИК-диапазона при энергии фотона меньше работы выхода электронов из эмиттера, устанавливают фиксированное значение напряжения на аноде U, не превышающее значение, определяемое из заданного соотношения.

Изобретение относится к получению метаматериалов из структурных элементов на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и может быть использовано в машиностроении и электронике в качестве материалов с улучшенными свойствами. Способ включает формирование дисперсных композиционных частиц, состоящих из ядра и оболочки, путем вакуумного осаждения на ядро из монокристаллического кремния монослоев переходных металлов Co, Fe или Cr до толщины, равной или большей эквивалентной длине экранирования валентных электронов, с формированием неравновесной низкоразмерной фазы, имеющей неоднородную структуру и атомную плотность в продольном и поперечном направлении, а соединение дисперсных композиционных частиц друг с другом осуществляют при инициировании перехода неравновесной низкоразмерной тонкопленочной фазы в объемную в граничащих друг с другом областях оболочки и ядра. Использование заявленного изобретения обеспечивает возможность получения композитных метаматериалов из структурных элементов с новыми или улучшенными потребительскими свойствами за счет формирования в композиционной частице неоднородного наноструктурированного состояния. 20 ил.
Наверх