Радиационная стойкость наноструктурированных материалов на основе ZnO, SiO2, TiO2

УДК 535.34

В.В. Нещименко

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ гпО, SiO2, ТЮ2

Исследовали влияние протонов (Е=100 кэВ и Ф=5х1015 см'2) на спектры диффузного отражения полых частиц, микрО'и нанопорошков ГпО, SiO2, ТЮ2. По разностным спектрам диффузного отражения установлено, что радиационная стойкость полых частиц выше, чем у микрочастиц.

Ключевые слова: наночастицы, оптические свойства, радиационная стойкость.

RADIATION STABILITY OF ZnO, SiO2, TiO2NANOSTRUCTURED MATERIALS

The effect of protons irradiation (E = 100 keV and Ф = 5x1015 cm2) on the spectra of diffuse reflection of hollow particles, micro- and nanopowdersZnO, SiO2, TiO2 was investigated. Change in spectral reflectance showed that the radiation stability of hollow particles is higher than that of microparticles.

Key words: nanoparticles, optical properties, radiation stability.

Одним из перспективных способов решения проблемы создания фото- и радиационностойких покрытий может быть использование в качестве пигмента микросфер - полых частиц с высокой удельной поверхностью. В таких структурах объемные радиационные дефекты будут возникать с меньшей вероятностью, а поверхностные дефекты будут рекомбинировать в тонком слое микросферы. Большая часть ионизирующего излучения будет создавать дефекты в глубине покрытия, но этот слой в наименьшей степени способен влиять на оптические свойства покрытия. Важно отметить, что нано-структурные материалы в виде микросфер будет иметь малый вес и низкую теплопроводность по сравнению с пигментами-поликристаллами, что уменьшит собственный вес космического аппарата.

Синтез полых частиц ZnO и Ti02 осуществляли гидротермальным методом [1, 2, 3], для оксида цинка использовали ацетат цинка, для диоксида титана - изопропоксид титана. Микросферы Si02 были получены методом послойного осаждения тетраэтилсиликата на полистирольные шарики.

Из полученных на растровом электронном микроскопе микрофотографий установлено (рис. 1), что в ходе реакции образуются частицы сферической формы размером от 500 до 5000 нм, часть из которых скреплены между собой. Выход частиц сферической формы составляет порядка 90%.

Измерение спектров R^ производили в атмосфере в области 200-2500 нм спектрофотометром PerkinElmerLambda 950 (диаметр интегрирующей сферы - 150 мм, шаг 5 нм/с). Облучение осуществляли в вакууме 2,5 10-4 Па при комнатной температуре протонами с энергией 100 кэВ, флюен-

15 2 12 2 1

сом 5 10 см" , при плотности потока 110 см" с .

Из полученных спектров диффузного отражения следует (рис. 2), что коэффициент отражения (R) для порошков микро-, нанопорошков и полых частиц ZnO, Si02H Ti02 достигает 80%, в ближней

Выпуск 79, 2017

Вестник АмГУ

183

ИК-области происходит его уменьшение до 20-40%. Для микросфер и наночастиц характерно высокое поглощение в ближней ИК-области, что связано с высоким поглощением адсорбированных газов на развитой поверхности данных частиц.

Рис. 1. Морфология поверхности частиц ГпО (А), ТЮ2(Б) и $Ю2(В).

Рис. 2. Спектры диффузного отраженияГпО (А), ТЮ2(Б) и Si02(B).

После облучения порошков протонами с энергией 100 кэВ и флюенсом 5х1015 см-2 в разностных спектрах диффузного отражения (ДRx = Ям - RxФ, где и Rxф - спектры диффузного отражения до и после облучения соответственно), являющимися спектрами наведенного поглощения (рис. 3), отмечено появление широкой полосы в видимой области спектра 3,3-2 эВ для оксида цинка. Для различных типов частиц интенсивность различная.

В спектрах микропорошков ТЮ2 поглощение регистрируется по всему спектру и имеет два пика вблизи значений 3,08 и 1,5 эВ, тогда как в спектрах нанопорошков и полых частиц в ближней ИК-области поглощение незначительно по сравнение с полосой поглощения в видимой области.

Рис. 3. Разностные спектры диффузного отражения ZnO (A), Ti02 (Б) и Si02 (В) после облучения протонами 100 кэВ.

Во всей области спектра коэффициент поглощения нанопорошков Si02 значительно больше коэффициента поглощения микропорошков и полых частиц. Такое соотношение связано с поглощением дефектами, расположенными на поверхности E's и представляющими собой локализованные на границе твердого тела атомы трехкоординированного кремния с неспаренным электроном, концентрация которых на развитой поверхности нанопорошков значительно больше, чем у микропорошков. Высокое количество оборванных связей в аморфном кремнии приводит к образованию большого количества вакансий по кислороду, способных захватывать термолизованные протоны, образуя Е'р.

Из спектров следует, что при облучении протонами деградация спектра диффузного отражения нанопорошков больше по сравнению с микопорошками во всей спектральной области. Это следствием того, что при действии протонов происходит как ионизация, так и упругие взаимодействия. В полых частицах вероятно ожидать малые ионизационные потери по сравнению с объемными микропорошками. В спектрах как микро-, так и нанопорошков отличие значений Ар для разных полос достигает двух и более раз.

Выпуск 79, 2017

Вестник АмГУ

185

Выполненные исследования показали, что коэффициент отражения в спектрах диффузного отражения пигментов и покрытий микропорошков выше, чем у полых частиц, особенно в ИК-области. Установлено, что радиационная стойкость к воздействию протонов пигментов у полых частиц выше, чем у микрочастиц. Такой эффект может быть связан с релаксацией дефектов на развитой поверхности полых частиц и малыми ионизационными потерями в них [4, 5].

1. Kim, Y.J., Chai S.Y., Lee W.I. Control of Ti02 structures from robust hollow microspheres to highly dispersible nanoparticles in a tetrabutylammonium hydroxide solution // Langmuir. - 2007. - V. 23. - P. 9567-9571.

2. Chenglin, Yan, Dongfeng, Xue. Polyhedral construction of hollow ZnO microspheres by C02 bubble templates // J. Alloy. Compd. - 2007. - V. 431. - P. 241-245.

3. Wenjiang, Li, Xiaoxiang, Sha, Wenjun, Dong, Zichen. Wang Synthesis of stable hollow silica microspheres with mesoporous shell in nonionic W/O emulsion // Chem. Commun. - 2002. - P. 2434-2435.

4. Mikhailov, M.M., Li, Chundong, Neshchimenko, V.V. Optical property degradation of titanium dioxide micro-and nanopowders under irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. - 2014. - V. 333. -P. 52-57.

5.Mikhailov, M.M., Neshchimenko, V.V., Yuryev, S.A. Optical properties and radiation stability of submicro- and nanopowders titanium dioxide measured in situ // Radiation Physics and Chemistry. - 2016. - V. 121. - P. 10-15.