|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Синтез нанокристаллического ортоферрита висмута для магнитных и оптических примененийдипломная работа (Бакалавр)
- Научный руководитель: Климонский Сергей Олегович
- Автор: Кузнецов Александр Сергеевич
- Тип: Бакалавр
- Организация, в которой проходила защита: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Год защиты: 2020
- Аннотация: Ортоферрит висмута (BiFeO3, BFO) обладает широким спектром интересных в контексте разработки новых оптических материалов свойств, а именно: крайне высоким (около 3) показателем преломления, выраженными фотокаталитическими и нелинейно оптическими свойствами, а также, в случае малых размеров частиц, ферри- или суперпарамагнетизмом. Благодаря этому, с помощью модификации нанокристаллами BFO прямых или инвертированных опаловых структур становится возможным решение одной из важных задач фотоники – проблемы получения фотонных кристаллов с полной запрещённой зоной в области видимого света, а также создание композитов с усиленной за счёт брэгговского резонанса фотокаталитической активностью, полностью оптических датчиков магнитного поля, etc. Основную сложность при создании перечисленных выше материалов представляет получение нанокристаллов, обладающих небольшим размером и, что не менее важно, малой степенью агрегации – так, гидродинамический размер частиц не должен превышать ~ 10 – 15 и ~ 60 – 70 нанометров при модификации ими прямых и инвертированных опаловых структур, соответственно. При этом большинство методов получения однофазного BiFeO3 (жидкофазное спекание, кристаллизация из раствора в расплаве, обратное соосаждение) требует обработки при высокой (не менее 550 ℃) температуре и приводит к образованию крупных и/или сильно агрегированных частиц. Частицы BFO с малым (около 10 нанометров) размером кристаллитов, не содержащих примесных фаз можно получить при относительно низкой (по литературным данным, от 400 ℃) температуре, используя разложение тартратных комплексов; однако, в литературе отсутствуют данные касательно степени агрегации получаемых частиц, их магнитных свойств, а также относительно изменения свойств при варьировании количества хелатообразователя и при снижении температуры синтеза. Целью нашей работы является определение условий синтеза нанокристаллов BiFeO3, подходящих для введения в опаловые пленки в целях получения новых композитных материалов с особыми оптическими свойствами. Основные задачи – изучение зависимости фазового состава, размера кристаллитов, степени агрегации и магнитных свойств частиц BFO, полученных разложением тартратных комплексов, от параметров синтеза; получение плёнок инвертированных фотонных кристаллов и «дифракционных решёток» (прерывистых коллоидных структур); получение магнитных частиц и модификация ими инвертированных «дифракционных решёток» для создания оптического датчика магнитного поля. Для синтеза BFO к раствору нитратов металлов в разбавленной (2N) азотной кислоте добавлялось определённое количества хелатообразователя (винной кислоты), после чего раствор выпаривался, а полученный твердый продукт обрабатывался в муфельной печи при температуре от 170 до 600 ℃ (время обработки – 2 часа в случае температур 400 – 600 ℃ и 6 часов в случае температур 170 – 220 ℃) с предварительной обработкой на плитке при 160 ℃ в течение часа или без таковой. Для получения пленок фотонных кристаллов и «дифракционных решёток» был использован метод вертикального осаждения из коллоидного раствора микросфер диоксида кремния, синтезированных многоступенчатым методом Штобера; инвертирование проводилось с помощью фоторезиста ETPTA. При температурах обработки, лежащих в диапазоне 400 – 600 ℃ продемонстрировано образование однофазных кристаллических частиц; при этом размер кристаллитов по Шерреру увеличивается от 10 до 18 нанометров с увеличением температуры обработки с 400 до 600 ℃, что хорошо согласуется с литературными данными. С помощью динамического светорассеяния и сканирующей электронной микроскопии было установлено, что полученные нанокристаллы агрегированы и размер агрегатов составляет 100 – 200 нанометров. Помимо этого, выяснено, что при температуре 400 ℃ небольшой (порядка нескольких процентов) недостаток хелатообразователя приводит к образованию крупных (порядка сотен нанометров – единиц микрон) частиц; исходя из дифрактограммы, выглядящей, как значительно уширенные пики, и данных сканирующей электронной микроскопии выдвинуто предположение, что они представляют собой агрегаты очень маленьких (размером порядка единиц нанометров) частиц BFO, что было подтверждено при помощи просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции. Аналогичные частицы были получены при избытке C4H6O6 и температурах обработки 220 – 350 ℃. При проведении синтеза с предварительной термической обработкой и температуре прокаливания 170 ℃ были получены аналогичные частицы, в то время, как в отсутствие предварительной стадии на дифрактограммах появляются пики примесных фаз – β-Bi2O3 и Bi2Fe4O9. Важно, что при низких температурах синтеза, при неизменном общем виде агрегатов нанокристаллов BFO их распределение по размерам становится заметно более широким – так, например, на микрофотографиях образца, синтезированного при температуре 170 ℃ в отсутствие предварительной обработки, фиксируется достаточное количество частиц, размеры которых делают возможным введение в инвертированные пленки. Была исследована зависимость намагниченности образцов от приложенного поля; продемонстрировано, что при температуре 300 K в случае образца, синтезированного при 400 ℃ при недостатке винной кислоты в 8 %, который, по данным просвечивающей микроскопии, состоят исключительно из нанокристаллов размером 2 – 4 нанометра, в поле величиной 18 kOe не достигается насыщения и общая намагниченность остаётся довольно слабой (около 0.07 электромагнитных единиц на грамм); в случае однофазных образцов, содержащих, по данным TEM, некоторое количество кристаллитов размером 8 – 10 нанометров, намагниченность в поле аналогичной величины была заметно больше и составляла около 0.4 электромагнитных единиц на грамм. Наконец, для полученного при 170 ℃ в отсутствие предварительной обработки на плитке образца была зафиксирована наибольшая намагниченность – около 3.4 электромагнитных единиц на грамм; вероятно, это обусловлено сочетанием наиболее высокого из наблюдавшихся в изученных образцах содержания кристаллитов размером 8 – 10 нанометров и наличия примесной фазы Bi2Fe4O9. Помимо этого, были получены инвертированные пленки фотонных кристаллов и «дифракционных решёток»; инвертированные «дифракционные» решётки были модифицированы образцом ортоферрита висмута, обладающим наиболее выраженными магнитными свойствами, путём помещения перетёртого в агатовой ступке порошка на поверхность образцов и накапывания этанола; внедрение некоторой части наночастиц в структуру дифракционной решётки было подтверждено появлением отклика получаемой дифракционной картины на поле постоянного магнита. Таким образом, была изучена зависимость свойств нанокристаллов ортоферрита висмута от параметров синтеза; определены условия синтеза, при которых происходит образование подходящих для введения в инвертированные пленки магнитных частиц; получены инвертированные «дифракционные решетки» для создания оптических датчиков магнитного поля и произведена модификация их магнитными частицами.
- Добавил в систему: Климонский Сергей Олегович