Iii – ma’ruza nanozarrachalarning fizik xossalari

|
Iii – ma’ruza nanozarrachalarning fizik xossalari
|
bet | 1/2 | Sana | 31.05.2024 | Hajmi | 182,83 Kb. | | #258279 |
Bog'liq 3-Ma\'ruza.
III – MA’RUZA
Nanozarrachalarning fizik xossalari
Reja:
Nanozarrachalar yuzasining roli
Kimyoviy potensial, Gibbs va Gelmgols erkin energiyalari.
Ilmiy adabiyotda ko‘pincha «nanozarracha» so‘zining o‘rniga «klaster» so‘zi ishlatiladi. Klaster deganda ikki yoki undan ko‘p molekulalar birlashib hosil qilingan strukturani tushuniladi. Klaster kichik bo‘lishi ham, yoki gigant masshtabda ham bo‘lishi mumkin, uning o‘lchami 1 nm dan 1000 nm gacha bo‘lishi mumkin. Klasterlarning turlari ko‘p bo‘ladi, ularga misol sifatida fulleren molekulalarini va nanotrubkalarni keltirish mumkin. Bu kitobchada biz «nanozarracha» so‘zi bilan ish ko‘ramiz, nanotexnologiyaning fundamentida yotgan qonunlarni o‘rganish uchun shu so‘z bizga yetarlidir, lekin kerak bo‘lganda «klaster» so‘zi ham ishlatiladi.
Nanozarrachalarning o‘ziga xos (spesifik) xossalarga ega bo‘lishining sabablari ko‘p, biz ularni ikki guruhga bo‘lamiz:
Nanozarrachalarning ochiq yuzasi va bir jinsli bo‘lmagan materiallarni ajratib turuvchi chegara yuzasining katta roli
Moddaning atom – molekulyar tuzilishida diskretlilikning yaqqol namoyon bo‘lishi va nanohajmda o‘lchamli kvant effektlari
1. Nanozarrachalar yuzasining roli
Zarrachani щarcha deb qarasak, uning yuzasidagi yupqa qatlamdagi atomlar sonining ulushi zarrachaning radiusi kamaygan sari oshaveradi, chunki:
(S-zarrachanin yuzasi, V- uning hajmi, R-uning radiusi)
Bundan tashqari yana bilamiz-ki, yuzadagi atomlarning xossalari modda ichidagi (yoki hajmdagi) atomlarning xossalaridan farq qiladi, chunki bu atomlar atrofdagilar bilan xajmdagilarga qaraganda boshqacharoq bog‘langan: yuza atomlari bir tarafdan, hajm atomlari esa to‘rt tarafdan bog‘langan.
Yuzadagi atomlar bog‘larining bir qismi bo‘sh (egallanmagan) bo‘lganligi uchun atomlar orasida rekonstruksiya yuz berishi va u yerda boshqacha tartib o‘rnatilishi mumkin. Yuzada yana atrof muhitdan yutilgan atom va molekulalar, oksid plenkalar bo‘lishi mumkin.
Agar atom nanozarrachaning qirrasida, chuqurlik yoki do‘ng joyida joylashsa (u yerlarda koordinasion son kichik bo‘ladi), u holda bu zarrachaning kimyoviy va katalitik faolligini oshiradi.
Elektronlarning ochiq yuza bilan ta’sirlashuvi yuzada maxsus yuza xolatlarini (Tamm xolatlarini) keltirib chiqaradi, defektlarning ta’sirlashuvi esa taqiqlangan zonada lokallashgan elektron xolatlarini yuzaga keltiradi.
Aytilganlar va yana boshqa sabablar yuzadagi yupqa bir qatlamni moddaning yangi bir xolati deb atashga fundamental asos bo‘laoladi. Qattiq jismning yuzasini o‘ziga xos alohida bir dunyo deb atash mumkin, unda qattiq jism xossalaridan tashqari yana suyuqlik va gaz xossalari ham namoyon bo‘lishi mumkin. Yana shuni aytish kerak-ki, zarrachaning yuzi uning ichidagi defektlarni o‘ziga tortib olish xususiyatiga ega, boshqacha aytganda yuza hajmdagi defektlarni o‘ziga tortib (so‘rib) olish kuchiga ega, u shu bilan zarracha ichini defektlardan tozalaydi, uni yanada takomillashtiradi.
Zarrachaning yuzasi haqida gap yuritilar ekan, uning xossalarini belgilab beradigan prosess haqida – unsur atom va molekulalarning adsorbsiyasi haqida ham alohida aytib o‘tishimiz kerak. Bilamiz-ki, monokristallarning toza yuzasi yuqori vakuumda olinadi. Agar yuzadagi monoqatlamda ta atom bor desak, oddiy sharoitda adsorbsiya qilingan atomlarning monoqatlami deyarlik bir zumda hosil bo‘ladi. Gazlarning kinetik nazariyasiga ko‘ra, R bosimda 1 sm2 yuzaga 1 sek ichida M masssaga ega bo‘lgan gaz atomlarining urilishlar soni quyidagi ifoda bilan aniqlanadi
Bu yerda Bolsman doimiysi. Xona xaroratida N=2∙1019 P/M1/2sm2 sek-1. Agar bosimni R=10-6 Pa (10-8 Torr) va M=20 30 deb hisoblasak yuza 102 103 sekund ichida bir monoqatlam gaz qatlami bilan qoplanar ekan. Demak, vakuumni yanada chuqurroq qilinsa, masalan 10-9 torr qilinsa, bunday bosimda bir necha oylar davomida adsorbsiya kuzatilmasligi mumkin.
Adsorbsiya ikki turli bo‘ladi – fizikaviy va kimyoviy. Fizikaviy adsorbsiyada molekulalar yuza bilan Van –der –Vaals kuchlari bilan bog‘lanadilar, kimyoviy adsorbsiyada (xemosorbsiyada) – kimyoviy reaksiyalar yordamida. Adsorbsiya bo‘layotgan atom yuza bilan elektron almashinib ionizasiya bo‘lishi mumkin (rasm3.1):
Zonalar nazariyasi bo‘yicha, agar atomning elektron bilan egallangan energetik xolati qattiq jismning Fermi xolatidan yuqori bo‘lsa, atomdagi elektron qattiq jismga o‘tadi va atom musbat ionga aylanadi. Lekin atomning egallanmagan xolati Fermi xolatidan pastroq bo‘lsa, u holda elektron qattiq jismdan atomga o‘tadi va u manfiy ionga aylanadi. Bunday prosesslarning extimolligi atom va qattiq jism o‘rtasidagi baryerning balandligiga bog‘liq.
Rasm 3.1. Adsorbsiya bo‘layotgan atomning energetik xolatlari.
Klasterlarning (nanozarrachalarning) ko‘pgina xossalarini analiz qilishda oddiy termodinamik model ularning bir qancha muhim xossalarini chuqurroq tushunishga imkon berishi ma’lum. Biz bu yerda termodinamikaning nanoklasterlarni o‘rganish uchun kerak bo‘ladigan eng minimal tushunchalari haqida informasiya berib o‘tamiz.
|
| |