IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЛЁНОК СТЕКЛА И МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ
Вахромеева К.А., Манукян В.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Цели, задачи, актуальность

Цели:

  1. Изучить литературу по золь-гель технологии.

  2. Научиться создавать образцы по золь-гель технологии.

  3. Научится создать оксид кремния.

  4. Научится создавать плёнку оксида кремния.

  5. Научится создавать магнитную жидкость.

  6. Научится создавать плёнку Fe3O4.

  7. Сравнить изображения образцов полученные на оптическом микроскопе.

Задачи:

  1. Освоить золь-гель технологию.

  2. Создать оксид кремния с помощью технологии золь-гель.

  3. Создать магнитную жидкость с помощью золь-гель технологии.

  4. Создать плёнки из оксида кремния.

  5. Создать плёнку из магнитной фазы оксида железа.

  6. Снять изображения полученных образцов.

  7. Сравнить полученные результаты.

Актуальность:

Оживлённый интерес учёных к наноматериалам, проявляемый в последние несколько лет, связан, в первую очередь, с заметным изменением физических свойств веществ при переходе в нанокристаллическое состояние [Vol96]. Например, уменьшение размера частиц полупроводника приводит к заметному увеличению ширины запрещённой зоны и увеличению общей энергии оптических переходов (синий сдвиг края полосы поглощения) [Efr00]. В связи с этим особое внимание привлекает исследование влияния размеров и геометрической анизотропии полупроводниковых наночастиц на их физические свойства.

Одной из наиболее интересных полупроводниковых систем оксид кремния (стекло). Для уменьшения загрязнения из внешней среды, получать данный материал следует в технологическом цикле, что и плёнки, наносимые поверх него. Поэтому, в случае удачного применения золь-гель технологии для создания стёкол из оксида кремния, данный материал получит новую жизнь в современных микросхемах.

Введение Оптический микроскоп

Рисунок 1. Оптический микроскоп "ПОЛАР 1".

В качестве оптического микроскопа использовался «ПОЛАР 1», предназначенный для визуального наблюдения и исследования прозрачных объектов в проходящем свете при увеличениях 50, 100, 200, 400, а также непрозрачных объектов в отражённом поляризованном и обыкновенном свете с увеличениями 50, 100, 200, 400, 1000.

Золь-гель технология

Существуют различные методы получения плёнок полупроводниковых оксидов металлов. Наиболее перспективным для формирования оксидных плёнок является золь-гель метод, включающий осаждение гидроксидов металлов, перевод их в коллоидное состояние, нанесение коллоидного раствора на подложку и кристаллизацию оксидных фаз в процессе термической дегидратации. Изначально, золь и гель – это промежуточные агрегатные состояния вещества между жидким и твёрдым состоянием соответственно.

Рисунок 2. Графическое представления изменения структуры раствора в золь-гель технологии.

Золь-гель технологии [Ива] – технологии получения технически ценных неорганических материалов на основе перехода раствора в золь, а затем в гель. Золь-гель метод обладает существенными достоинствами, так как он обеспечивает возможность варьирования в широких пределах многочисленных параметров синтеза (природы и концентрации прекурсоров, осадителя и стабилизирующих добавок; температуры реакционной смеси; скорости и порядка сливания реагентов; pH осаждения; режима термической обработки продукта), тем самым позволяя получать материалы с разнообразной структурой, дисперсностью и морфологией, а, следовательно, и уникальными свойствами. Одним из критических моментов золь-гель синтеза является перевод полученной суспензии гидроксида металла в коллоидное состояние (золь), который зачастую сопровождается значительными трудностями и во многом определяет степень воспроизводимости структуры и свойств конечного продукта.

Магнитная жидкость

Магнитная жидкость – жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил. Не смотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля. На самом деле ферромагнитные жидкости являются парамагнетиками и их часто называют «суперпарамагнетиками» из-за высокой магнитной восприимчивости. Действительно ферромагнитные жидкости в настоящее время создать сложно.

Стекло

Стекло – вещество и материал, один из самых древних, благодаря разнообразию своих свойств – универсальный в практике человека.

Все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии – от чрезвычайной вязкости жидкого, до так называемого стеклообразного, в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья.

Температура варки стёкол, от +300 до +2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). К стеклообразующим вещ-вам относятся: оксиды, фториды и др.

Основные группы стекла по химическому составу в зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стёкла бывают: оксидными, силикатные, кварцевые, фосфатные, боратные, фторидными, сульфидными и т.д.

Практическая часть Создание образцов

Для создания магнитной жидкости использовались:

  1. Железо трёхвалентное сернокислое. (далее: Fe(III))

  2. Железо двухвалентное хлористое. (далее: Fe(II))

  3. Вода. (до полного растворение соединений Fe).

  4. Аммиак водный (ЧДА). (далее: Аммиак)

  5. Тетроэтоксисилан (далее: ТОЭС).

Порядок смешивания:

  • Первыми в контейнер, для создания образца, помещались Fe(II) и Fe(III), для этого они взвешивались на весах (с точностью до десятых грамма).

  • Добавляли воды до полного растворения химических соединений железа.

  • Далее добавлялся Аммиак в объёме 10 % от воды, требуемой для растворения твёрдых составляющих. В процессе добавления, жидкость тщательно перемешивалась для ускорения процессе реакции во всём объёме.

  • Для стабилизации уже полученных магнитных частиц, к смеси добавляли ТЭОС. Объём варьировался от 2 до 20 % от ранее добавленной воды.

  • После тщательно перемешивали.

  • После длительного времени (от 5 минут до нескольких дней), производили процесс промывания. Для этого добавляли воду, ждали, пока осядет осадок, после верхние слои жидкости обирали (Требовалось это для фильтрации образца, от не до конца реагирующих химических веществ и от побочных составляющих химической реакции).

Для создания оксида кремния (стекла) использовались:

  1. Этиловый спирт (далее Этанол);

  2. Тетроэтоксисилан (далее: ТОЭС);

  3. Аммиак водный (ЧДА) (далее: Аммиак);

  4. В некоторых образцах в одном из первых двух компонентов растворялся Fe(III) или Fe(II);

Для данного образца, процесс создания сильно варьировался, но заключался в смешивании последовательном или одновременном трёх жидкостей. В некоторых образцах, в ТЭОС-е и/или Этаноле растворяли Fe(II), а после уже добавляли остальные жидкости. Fe(II) растворялся в ТЭОС-е и Этаноле не охотно и в очень маленьких пропорциях, Даже длительное перемешивание не меняла данного факта.

Сравнение результатов

Целью работы было сравнить получаемые плёнки. Для этого магнитная жидкость после промывания наносилась на стекло. А образцы плёнки стекла (оксида кремния), наносились до затвердевания образца.

Общее сравнение образцов под средним увеличением (x200).

Рисунок 3. Образец «СТ». Объектив x20.

Рисунок 4. Образец «МЖ с водой». Объектив x20.

На изображении образца «СТ» (Рисунок 3), отчётливо видны мелки частицы, из которых состоит весь образец, частиц на поверхности приняли вид схожий с фрактальным ростом. На против, образец «МЖ с водой» (Рисунок 4), образовал плёнку, которая под действием сил поверхностного натяжения лопнула на множество осколков, которые и закрепились на осаждаемой поверхности. В местах разрыва видны мелкие частички, которых в общем объёме не наблюдается.

Стоит отметить, что частички магнитной жидкости, образовали более крупные соединения, это можно связать с их свойством реагировать на внешнее магнитное поле (в нашем случае магнитное поле земли, так как дополнительного воздействия не осуществлялось). Частички оксида кремния очень мелкие, так как кристаллизация происходила в считанные минуты (~25 минут), что для образования полноценного крупного кристалла мало. Так же на эти частички не действовало ни каких дополнительных сил, именно поэтому и наблюдается такой вот рост плёнки.

Если рассмотреть более детально форму частичек, то оксид кремния имеет округлую форму (кристаллизация происходила во все стороны), а вот магнитные частички образовывали более прямоугольные формы, что так же свидетельствует о их магнитных свойствах.

Сравнение образцов под сильным увеличением. Максимально полученным, для образцов магнитной жидкости это увеличение x400, для оксида кремния это увеличение x1000.

Рисунок 5. Образец «К1» Объектив x100

Рисунок 6. Образец «МЖ с водой, муть». Объектив x40

На изображении образца «К1» (Рисунок 5), отчётливо видны прозрачные кристаллики оксида кремния. Но из-за общей щелочной среды получения, итоговый цвет образца белый. На изображении образца магнитной жидкости (Рисунок 6), так же видны мелкие частицы, которые можно считать кристаллами оксида железа, отчётливо выделяются два различных вещества, стоит предположить, что в данном случае были зафиксировано деградация магнитной фазы оксида железа (Fe3O4) в не магнитную (Fe2O3).

Общий вид плёнки.

Рисунок 7. Образец "СТ спирт". Объектив x5.

Рисунок 8. Образец "МЖ муть". Объектив x5.

На образце «СТ спирт» (Рисунок 7), отчётливо видна плёнка мутно-белого цвета, с частыми краплениями чёрного цвета (образец был получен в отражённом свете, поэтому данные точки можно объяснить наклоном поверхности микрокристаллов, из-за чего отражённый свет не попадает в объектив. В подтверждении данной теории, на образце так же присутствуют яркие белые области, в которых свет на оборот отражался в объектив).

Образец «МЖ муть» (Рисунок 8) образовывал равномерную плёнку (с вкраплениями не магнитной фазы оксида железа), которая лопнула под действием сил поверхностного натяжения при высыхании образца.

Выводы

При добавлении в состав стекла примесей в хлористого железа, стекло получается более твёрдым, с крупными камушками/поликристаллами. Размер таких камушков достигал около 5 мм, даже при быстром не замедленном процессе сушки.

Найдены отличия осаждаемых плёнок. Основным отличием является то, что стекло в отличие от магнитной жидкости, не реагирует на внешнее магнитное поле, из-за чего и присутствуют отличий в виде размера и формы осаждаемых частичек.

В ходе равнения, стало понятно, что основным фактором в образовании равномерной плёнки, является длительность процесса.

В дальнейшем будет проанализировано как именно влияет время сушки на равномерность образованных плёнок. Так же планируется более детально изучить, как и какие примеси влияют на процесс кристаллизации стекла.

Список литературы
  1. Y. Volokitin, J. Sinzig, L. J. Dejongh, G. Schmid, M. N. Vargaftik и I. I. Moiseev, «Quantum-size effects in the thermodynamic properties of metallic nanoparticles.,» Nature, т. 6610, № 384, pp. 621-623, 1996.

  2. A. L. Efros и M. Rosen, Ann. Rev. Mater. Sci., № 30, p. 475, 2000.

  3. М. И. Ивановская и Д. А. Котиков, О структуре плёнок MoO3 полученных электрохимическим методом.

  4. M. Mikhaylova, D. Kim, N. Bobrysheva и M. Osmolowsky, Langmuir, № 20, p. 247, 2004.

  5. К. Гареев, Магнитные композиты на основе наноразмерных частиц MeOn-Fe2O3, интегрированных в диэлектрическую матрицу диоксида кремния., Санкт-Петербургк, 214.

  6. Вахромеева К.А., Манукян В.А. «Исследования в оптическом микроскопе структуры осаждаемой плёнки из раствора магнитных наночастиц от структуры магнитного поля»

  7. М.И. Ивановская, Д.А. Котиков: О структуре пленок МoО3, полученных электрохимическим методом. http://elib.bsu.by/bitstream/123456789/10005/1/Paper.pdf