Электрофизические свойства нанокомпозита TiO2/опал

Серия «Естественные и физико-математические науки». 9/2016

ФИЗИКА И ЕЕ ПРЕПОДАВАНИЕ

УДК 537:538.9:539.216

С. Е. Ганго, С. В. Трифонов

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТА

ТЮ2/ОПАЛ

Проведено экспериментальное исследование электрофизических свойств новых нанокомпозитов TЮ/опал на основе регулярных пористых опаловых матриц. Определена величина удельной термо-ЭДС образцов нанокомпозита, измерены вольт-амперные характеристики и температурные зависимости проводимости образцов исходной опаловой матрицы и нанокомпозита на ее основе.

Ключевые слова: нанокомпозит, рутил, электропроводность, термо-ЭДС.

Создание трехмерных упорядоченных кластерных решеток на основе регулярных пористых диэлектрических матриц опалов представляет собой одно из перспективных направлений современной технологии получения новых нанокомпози-ционных материалов, обладающих интересными физическими свойствами, которыми не обладают исходные материалы для композита.

В диэлектрической опаловой матрице с правильной системой пор и каналов можно получать трехмерные решетки, как из индивидуальных элементов, так и из

наноструктур с достаточно большими плотностями (~1014 см-3).

Целью настоящей работы было исследование электрофизических свойств нового нанокомпозиционного материала ТЮ2 / опал ( о - ТЮ2 ), полученного в результате диспергирования диоксида титана в матрице синтетического благородного опала.

Диоксид титана ТЮ2 относится к широкозонным полупроводникам, в соответствии с литературными данными, ширина запрещенной зоны для ТЮ2 со структурой рутила Е =3,05 эВ [1]. Опал относится к широкозонным диэлектрикам, поэтому его электропроводность, по-видимому, носит ионный характер и связана с наличием точечных дефектов в структуре опала. Концентрация дефектов в синтетических опалах существенно зависит от метода их получения и термической обработки образцов.

Нанокомпозиционные материалы, полученные на основе пористых диэлектрических опаловых матриц, можно рассматривать как регулярные структуры, составленные из полупроводниковых наночастиц («зерен»), соединенных между собой узкими каналами («сужениями»), свойства которых могут существенно отличаться от свойств «зерен». Электрические и термоэлектрические свойства таких комплексных систем могут существенным образом отличаться от соответствующих свойств «массивных» материалов. Например, термоэлектрические свойства материалов частично зависят от фононов и электронов проводимости, поведение которых изменяется в зависимости от размера каналов по разным законам, что может выражаться в существенном изменении термо-ЭДС материалов, полученных в диспергированном состоянии [2].

Вестник Псковского государственного университета

Изучение термо-ЭДС микрообразцов композита проводилось в настоящей работе импульсным методом [3]. Для всех исследованных нами образцов нанокомпо-зита о - TЮ2 знак удельной термо-ЭДС соответствовал знаку коэффициента Зеебе-ка «массивного» диоксида титана (рутила), таким образом, электронный тип проводимости этого вещества не изменился при его диспергировании. Однако, величина удельной термо-ЭДС нанокомпозита о-ТЮ2 (~ 100-150 мкВ/К) оказалась значительно ниже соответствующего значения для «массивного» чистого и слаболегированного рутила (~ 400-700 мкВ/К) при температуре 300 К [4, 5]. Также было выявлено, что температурная зависимость термо-ЭДС композита слабо выражена, как и у «массивного» диоксида титана (рутила), в температурном интервале 300-400 К.

Проводимость образцов исходных опаловых матриц и образцов композита о - ТЮ2 исследовалась в настоящей работе двухзондовым методом с графитовыми плоскими электродами на постоянном токе в интервале температур 400-750 К при фиксированном напряжении 200 В. Для проведения измерений использовался микроамперметр Ф195, способный измерять токи с точностью до 1 нА. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) снимались на постоянном токе в интервале напряжений 10-300 В при различных температурах.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) изученных образцов исходной опаловой матрицы (рис. 1) и нанокомпозита о-ТЮ2 (рис. 2) на ее основе при сравнительно небольших значениях напряженности электрического поля хорошо аппроксимируются линейным законом, что, по-видимому, свидетельствует об отсутствии объёмных зарядов в приэлектродных областях образцов [6].

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики Рис. 2. Вольт-амперные характеристики исходной опаловой матрицы нанокомпозита о - ТЮ2

Исследованные ранее на кафедре физики ПГПУ им. С. М Кирова образцы монокристаллов диоксида титана со структурой рутила [7] также демонстрировали линейный характер вольт-амперных характеристик при температурах до 700 К и

степенной характер ВАХ I = СЦ", где показатель степени к = 1,2 при температурах от 700 до 850 К.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что температурные зависимости ионной проводимости образцов исходных опаловых матриц подчиняют -

Серия «Естественные и физико-математические науки». 9/2016

ся закону Аррениуса а = а 0 ехр

кТ

(рис. 3). Графики имеют характерный из-

лом при температуре 680 К, что проявляется в изменении величины энергии активации Еа от 1,3 эВ до 0,8 эВ при нагревании образца и от 1,7 эВ до 0,4 эВ при его охлаждении.

Рис. 3. Температурная зависимость ионной проводимости исходной опаловой матрицы

15 16 17 1.6 19 20 100ШТ. 1/К

Рис. 4. Температурная зависимость проводимости нанокомпозита о - ТЮ„

Температурные зависимости проводимости образцов нанокомпозита о - ТЮ2 (рис. 4) также носят активационный характер с энергией активации Еа = 0,5 эВ при нагревании и Еа = 0,9 эВ (в интервале температур от 600 до 750 К) и Еа = 0,4 эВ (в интервале температур от 550 до 600 К) при охлаждении образца. Величина проводимости нанокомпозита о - ТЮ2 имеет тот же порядок, что и у исходной пористой

опаловой матрицы, что значительно ниже проводимости «массивного» рутила (~ 100 См/м) при комнатной температуре [4, 5].

Существенное снижение проводимости образцов нанокомпозита о - ТЮ2 по сравнению с «массивным» рутилом ТЮ2, по-видимому, связано с низким процентом заполнения пустот пористой матрицы опала веществом — «гостем», что не позволило сформироваться трехмерной упорядоченной подрешетке диоксида титана.

Несмотря на то, что величина проводимости образцов нанокомпозита о - ТЮ2 существенно не отличается от соответствующих значений проводимости опаловой матрицы, величина энергии активации у них в большинстве температурных интервалов значительно ниже, чем у исходных компонент нанокомпозита.

Литература

1. Полупроводники / Под ред. Н. М. Львова. М.: ИЛ, 1962. 668 с.

2. Богомолов В. Н., Ганго С. Е., Курдюков Д. А., Мисиорек Х., Парфеньева Л. С., Романов С. Г., Смирнов И. А., Соловьев В. Г., Ханин С. Д. Термоэлектрические свойства регулярных матричных композитов на основе опалов с наноструктурированными полупроводниками, металлами и полуметаллами // Нанотехника. 2006. № 1. С. 10-13.

3. Ганго С. Е., Марков В. Н., Соловьев В. Г. Ячейка для измерения термо-э. д. с. микрообразцов импульсным методом // Приборы и техника эксперимента. 1998. № 6. С. 123-124.

Вестник Псковского государственного университета

4. Богомолов В. Н., Смирнов И. А., Шадричев Е. В. Теплопроводность, термоэдс и электропроводность чистых и легированных монокристаллов рутила (TiO2 ) // Физика твердого тела. 1969. Т. 11. № 11. С. 3214-3223.

5. Богомолов В. Н., Кудинов Е. К., Фирсов Ю. А. О поляронной природе носителей тока в рутиле (TiO2 ) // Физика твердого тела. 1967. Т. 9. № 11. С. 3175-3191.

6. Ламперт М., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах. М.: Мир, 1973. 416 с.

7. Шмаев А. П. Четырехзондовый метод изучения электрических свойств твердых диэлектриков / Дипломная работа. Псков: ПГПУ им. С. М. Кирова, 2006. 121 с.

Об авторах

Ганго Сергей Евгеньевич — кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики, физико-математический факультет, Псковский государственный университет, Россия E-mail: gangose@narod.ru

Трифонов Сергей Васильевич — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, физико-математический факультет, Псковский государственный университет, Россия E-mail: svtrifonov@mail. ru

S. Gango, S. Trifonov

ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF TiO/OPAL NANOCOMPOSITES

Experimental study of the electrophysical properties ofnew nanocomposites TiO2 /opal based on regular porous opal matrices has been carried out. The value of thermal electromotive force of nanocomposites has been determined. The current-voltage characteristics and temperature dependences of electric conductivity of initial opal matrix samples and those of nanocomposite on its base have been measured.

Key words: nanocomposite, rutile, electric conductivity, thermal electromotive

force.

About the authors

Dr. Sergey Gango, Senior lecturer, Department of Physics, Faculty of Physics and Mathematics, Pskov State University, Russia E-mail: gangose@narod.ru

Dr. Sergey Trifonov, Associate Professor, Department of Physics, Faculty of Physics and Mathematics, Pskov State University, Russia E-mail: svtrifonov@mail. ru