Презентация на тему: 1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц

1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц
1/34
Средняя оценка: 5.0/5 (всего оценок: 8)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (3490 Кб)
1

Первый слайд презентации

1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц

Изображение слайда
2

Слайд 2

2 Реакционная способность Экспериментальные свидетельства влияния размеров на реакционную способность наночастиц. Установка для изучения химического взаимодействия мелких частичек с различными газами.

Изображение слайда
3

Слайд 3

3 Реакционная способность до после Масс спектры наночастиц алюминия воздействия газообразного кислорода. Пики Al 13 и Al 23 существенно усилились, а с Al 15 по Al 22 ослабли – явное свидетельство зависимости реакционной способности алюминиевых кластеров от количества атомов в них.

Изображение слайда
4

Слайд 4

4 Реакционная способность Зависимость скорости реакции железа с водородом от размеров наночастиц железа. Частицы, состоящие из 10 атомов и более чем 18 атомов, реагируют с водородом легче, чем остальные.

Изображение слайда
5

Слайд 5

5 Реакционная способность Национальный исследовательский университет в Осаке (Япония) – обнаружена высокая каталитическая активность у наночастиц золота с размером менее 3-5 нм. Такие частицы имеют икосаэдрическую структуру, в отличие от ГЦК-решетки объемного материала. Создание освежителей воздуха на основе золотых наночастиц на Fe 2 O 3 подложке.

Изображение слайда
6

Слайд 6

6 Электрические свойства Электропроводность наноматериалов - ряд конкурирующих факторов. Равновесное состояниие кристаллической решетки наноматериалов - отсутствие вакансий и дислокаций - увеличение электропроводности по сравнению с крупнокристаллическим состоянием. В наноматериалах - границы зерен (наибольший вклад в уменьшение электропроводности) и ограниченная длина свободного пробега электронов. Суммарно последние две причины - доминирующие. Рассеяние электронов повышено, удельная электропроводность наноматериалов уменьшена по сравнению с крупнокристаллическими веществами.

Изображение слайда
7

Слайд 7

7 Электрические свойства Мнение : наночастицы германия или кремния сами по себе не являются полупроводниками. Квантовые точки, квантовые проволоки и квантовые ямы - очень малые значения концентрации электронов для обеспечения тока. Квантовая точка – кристаллик Ge в матрице 4H-SiC

Изображение слайда
8

Слайд 8

8 Электрические свойства Одноэлектронное туннелирование или кулоновская блокада. Кулоновская блокада  — блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включённую между двумя туннельными контактами. Кулоновская блокада  обусловлена отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаёт электрон, усевшийся на точке. Аналогия: поле ядерных сил при альфа распаде препятствует вылету альфа-частицы, кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на неё.

Изображение слайда
9

Слайд 9

9 Магнитные свойства Энергетическая точка зрения : однодоменность при уменьшении размера наночастиц может оказаться более выгодной, чем многодоменность. Специфические магнитные свойства ферромагнитных наночастиц во многом определяются именно их однодоменностью. Измельчение наночастиц: ширина доменов уменьшается медленнее, чем размеры наночастиц. Формирование в наночастицах однодоменного состояния.

Изображение слайда
10

Слайд 10

10 Магнитные свойства Поэтапный переход в однодоменное состояние из многодоменного. Связь диаметра частиц сплава Mn-Bi с коэрцитивной силой и схемы доменных структур. многодоменная структура многодоменная структура без поверхностных замыкающих областей переходная структура однодоменное состояние

Изображение слайда
11

Слайд 11

11 Магнитные свойства Суперпарамагнетизм - особое состояние, возникающее в малых ферромагнитных частицах, при уменьшении их размеров ниже критических. Суперпарамагнетизм вызван тепловыми флуктуациями, приводящими к хаотическому вращению магнитного момента однодоменных ферромагнитных частиц. Ансамбль наночастиц ведет себя как парамагнетик, но с магнитным моментом до 10 5 раз больше. Эксперимент : системы металлических частиц железа, кобальта, никеля.

Изображение слайда
12

Слайд 12

12 Переход наноматериалов в супермагнитное состояние – изменения в мессбауэровском спектре. Магнитные свойства Нанопорошок железа : при переходе из ферромагнитного состояния в суперпарамагнитное состояние секст линий (1) вырождается в одну центральную линию (2).

Изображение слайда
13

Слайд 13

13 Магнитные свойства Коэрцитивная сила с размером зерен меняется немонотонно. Зависимость коэрцитивной силы от размера частиц 1- железа при 4,2 К, 2 и 2 ` – кобальта при 4,2 и 300 К соответственно. При достаточно большом радиусе частиц границы структурных единиц препятствует движению доменных стенок. Максимум на графике соответствует соизмеримым размерам доменов и наночастиц. В области малых размеров реализуется суперпарамагнитное состояние.

Изображение слайда
14

Слайд 14

14 Непрерывный рост емкости HDD - 1, 2, 3, 4 Тбайт. Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера 4- Тбайт HDD Hitachi в японской рознице (2011 г.) Согласно данным консорциума ASTC, в году 2012 г. пользователи всего мира сохранят 40 000 000 Тбайт (1 Тбайт = 10 12 байт) новых данных.

Изображение слайда
15

Слайд 15

15 Производители жестких дисков (Seagate или Western Digital) – предположение: когда плотность данных станет очень высокой (1,3–1,4 Тбайт на пластину), будет проявляться так называемый суперпарамагнетический предел. Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера Намагничивание группы магнитных доменов – (магнитной области, хранящей один бит информации на пластине) изменяет значение бита. Уменьшение количества частиц – обеспечение увеличения плотности записи. Предел: количество частиц не должно быть меньше 20 – иначе головка чтения/записи окажется не в состоянии однозначно идентифицировать биты. Суперпарамагнетический эффект – внезапное исчезновение намагниченности при незначительных колебаниях температуры - превращение единицы в ноль.

Изображение слайда
16

Слайд 16

16 Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера Количество частиц и анизотропная энергия материала – факторы, определяющие возможность появления супермагнетизма. Анизотропная энергия материала – мера энергии, необходимой головке чтения/записи для изменения намагниченности. Сохранение стабильности только частицами сплава с высокой анизотропной энергией. Высокая анизотропная энергия - изменение магнитной ориентации требует больших усилий, а головка чтения/записи не в состоянии справиться с этой задачей.

Изображение слайда
17

Слайд 17

17 Термоассистируемая магнитная запись (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR) - нагрев магнитных частиц с помощью специального лазера  уменьшение анизотропной энергии до уровня, при котором головка сможет воздействовать на магнитную ориентацию. Прогнозы (компания Seagate): технология HAMR позволит существенно увеличить плотность данных, чего невозможно достичь с помощью используемых в настоящее время материалов. Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера

Изображение слайда
18

Слайд 18

18 Возможность преодоления суперпарамагнитного предела - использование доменов большего размера  сокращение их количество на один бит. Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера Изоляция групп частиц, которые хранят магнитный заряд каждого бита, для уменьшения шума сигнала (компании Western Digital, Hitachi и Toshiba) – метод Bit Patterned Media (BPM — технология битового массива).

Изображение слайда
19

Слайд 19

19 Магнитные свойства Супермагнетизм и память компьютера Технологии BPM: магнитная поверхность HDD состоит из многочисленных ячеек округлой формы. Проблема - само производство, так как ячейки, как и при изготовлении процессорных кристаллов, формируются посредством литографии. Toshiba: первый прототип диска, в котором данные ячейки имеют диаметр 17 нм. Подобный диск обходится намного дороже, чем традиционные магнитные пластины.

Изображение слайда
20

Слайд 20

20 Магнитные свойства Намагниченность насыщения монотонно уменьшается с размером зерен. Причина: с уменьшением размеров частиц растет доля приповерхностных атомов, чьи спины ориентированы перпендикулярно спинам атомов, расположенных внутри частиц.

Изображение слайда
21

Слайд 21

21 Магнитные свойства Температура Кюри монотонно уменьшается с размером наночастиц.

Изображение слайда
22

Слайд 22

22 Тепловые свойства Длина волн, соответствующих тепловому движению атомов решетки, не может превышать удвоенный диаметр частицы. Результат : ограничения, накладываемые на колебательный спектр наноматериалов со стороны низких частот. Полное отсутствие такого ограничения в спектре крупнокристаллических материалов.

Изображение слайда
23

Слайд 23

23 Тепловые свойства Теоретические расчеты, учитывающие вклад в теплоемкость объемного, поверхностного и линейного факторов. В области очень низких температур теплоемкость наночастиц убывает быстрее, чем теплоемкость крупнокристаллического материала. Теплоемкость наноматериалов до некоторой температуры должна быть меньше теплоемкости аналогичных крупнокристаллических материалов.

Изображение слайда
24

Слайд 24

24 Тепловые свойства Удельная теплоемкость С наночастиц серебра диаметром 10 нм (символы «о» и аппроксимирующая сплошная линия) и крупнокристаллического серебра (сплошная линия) при Т  10 К.

Изображение слайда
25

Слайд 25

25 Тепловые свойства Наноматериалы, низкие температуры: вклад в решеточную теплопроводность рассеяния фононов на дислокациях и точечных дефектах мал в связи с их практически полным отсутствием. Неравномерное распределение примесных атомов с повышенной или пониженной концентрацией либо в объеме, либо в поверхностных слоях в зависимости от выигрыша в поверхностной энергии. Несущественный вклад примесных атомов в рассеяние фононов. Преобладание рассеяния фононов на фононах и на границах структурных элементов. Решеточная теплопроводность наноматериалов должна быть выше, чем у аналогичных крупнокристаллических материалов. Теплопроводность

Изображение слайда
26

Слайд 26

26 Тепловые свойства При Т >> T D теплоёмкость кристалла, состоящего из атомов одного сорта, при постоянном объёме C V = 6 кал (°С / моль) в соответствии с законом Дюлонга и Пти. При T << T D теплоёмкость пропорциональна ( T / T D ) 3 (закон T 3 Дебая). Температура Дебая — температура, при которой возбуждаются все моды колебаний в данном твёрдом теле. Дальнейшее увеличение температуры не приводит к появлению новых мод колебаний, а лишь ведет к увеличению амплитуд уже существующих, т.е. средняя энергия колебаний с ростом температуры растёт. Температура Дебая

Изображение слайда
27

Слайд 27

27 Тепловые свойства «Вымерзание» некоторых колебательных степеней свободы в нанокристаллах происходит при более низких температурах. Причина: изменение вида и границ фононного спектра. Температура Дебая в нанокристаллах ниже, чем у соответствующих крупнокристаллических аналогов.

Изображение слайда
28

Слайд 28

28 Тепловые свойства Отношение температуры Дебая  Д ( r ) материала с размером зерен r к температуре Дебая  Д соответствующего крупнокристаллического материала, имеет вид:  Д ( r ) /  Д  1-3 /(8 rk ). Чем меньше радиус r, тем больше температура Дебая наночастицы будет отличаться от температуры Дебая массивного материала.

Изображение слайда
29

Слайд 29

29 Оптические свойства Оптические спектры поглощения наноматериалов - существенный сдвиг в сторону уменьшения длин волн (в голубую сторону спектра) при уменьшении размера частиц. Спектр поглощения наночастиц CdSe размером 20 Å и 40 Å при температуре 10 К.

Изображение слайда
30

Слайд 30

30 Оптические свойства Сдвиг н аименьш ей энерги и поглощения ( границ ы поглощения ) в сторону больших энергий при уменьшении размеров наночастицы. Возникновение г раниц ы поглощения из-за наличия щели в энергетическом спектре. Увеличение щел и с уменьшением размера частицы.

Изображение слайда
31

Слайд 31

31 Диффузия Пониженные значения объемной диффузии в результате отсутствие вакансий и дислокаций в объеме нанопорошков. Возрастание роли поверхностной диффузии по мере уменьшения размера нанопорошков. Легкое перемещение адсорбированных атомов по поверхности наночастицы. Поверхностная гетеродиффузия - диффузия не собственных, а примесных атомов.

Изображение слайда
32

Слайд 32

32 Диффузия Два варианта развития событий : 1) Энергии взаимодействия разнородных и однородных атомов сопоставимы. Перемещение атомов примеси за один акт на несколько межатомных расстояний подобно катящимся шарикам по механизму «перекати-поле». 2) Большая энергия взаимодействия между атомами примеси и поверхностью. Диффузия по механизму «развертывающегося ковра». Прекращение процесса диффузиится после покрытия поверхности моноатомным слоем.

Изображение слайда
33

Слайд 33

33 Химические свойства Повышенная поверхностная энергия – чрезвычайно высокая химическая активность наноматериалов. Изменение закона реагирования, склонности к окислению, самовозгаранию, пирофорность и каталитической активности. Диффузия в твердой фазе – определяющий механизм скорости реакции для большинства гетерогенных химических процессов с ее участием. При достаточно малом радиусе участвующей в реакции частицы, собственно химическая реакция - лимитирующая стадия процесса. Меньше размер частиц, ниже температура химических реакций. Уменьшение температуры протекания химической реакции на величину до 800-1000 К. Протекание некоторых химических превращений только в наноразмерных системах.

Изображение слайда
34

Последний слайд презентации: 1 Лекция 6. Свойства индивидуальных наночастиц

34 Химические свойства Более интенсивное окисление нанопорошков меньшего размера. Связь низкотемпературной устойчивости нанопорошков к окислению с образованием поверхностных оксидных пленок и адсорбированной газовой оболочки. При достижении некоторой пороговой температуры - быстрая десорбция газов, выделение избыточной энергии в виде тепла и резкое увеличение реакционной способности нанопорошка. Повышенная склонности к самовозгоранию и пирофорность наноматериалов – сильные трудности при их получение и использовании. Повышенная реакционная способность – использование наночастиц в качестве катализаторов.

Изображение слайда