Способ оценки влияния адсорбирующихся газов на поверхность материалов
METHOD OF ESTIMATING THE EFFECT OF ADSORBED GASES ON THE SURFACE OF MATERIALS

Предполагаемое изобретение относится к области физики и химии поверхности и может быть использовано для оценки физико-химических процессов, протекающих на поверхности материалов, в частности, для оценки изменения морфологии поверхностей полупроводниковых материалов, используемых в сенсорах газов, газочувствительных и самоорганизующихся материалов, при адсорбции на них газов-загрязнителей неорганического и органического типа.
Аналогом предполагаемого изобретения является способ исследования структуры трубных сталей [Пат. 2449055 РФ, МПК C23F 1/28, G01N 1/32, G01N 33/20. Способ исследования структуры трубных сталей / Казаков А.А., Казакова Е.И., Киселев Д.В., Курочкина О.В. - Заявл. 18.10.2010; Опубл. 27.04.2012].
Сущность способа состоит в количественном определении параметров выявленных областей бейнита реечной морфологии в изображениях образцов трубной стали, полученных после взаимодействия с водным раствором сульфосолей с помощью поляризованного света оптического микроскопа.
Существенными признаками аналога являются: взаимодействие образца материала с водным раствором сульфосолей, последующая промывка и просушка образца материала; анализ морфологии поверхности материала посредством оптического микроскопа; фиксирование изображения поверхности материала; количественное определение параметров участков поверхности.
Существенными признаками, общими с заявляемым способом являются: анализ морфологии поверхности материала; фиксирование изображения поверхности материала; количественное определение параметров участков поверхности.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ предназначен для исследования морфологии поверхности стали посредством оптического микроскопа, разрешение которого является недостаточным для исследования полупроводниковых наноматериалов.
Другим аналогом является способ исследования сорбционных свойств углей. [Пат. 2590981 РФ, МПК G01N 15/08, G01N 7/04. Способ исследования сорбционных свойств углей / Натура В.Г., Сиротский Р.Г., Ожогина Т.В. - Заявл. 10.03.2015; Опубл. 10.07.2016]. Способ определения сорбционной газоемкости углей включает закачивание в исследуемую систему измеренного объема метана, насыщение угля метаном для количественного определения изменения параметров адсорбирующего материала.
Существенными признаками данного аналога являются: закачивание в исследуемую систему измеренного объема газа; проведение исследований при различных температурах и давлениях; количественное определение изменения параметров адсорбирующего материала.
Существенным признаком, общим с существенными признаками заявленного способа является: закачивание в исследуемую систему измеренного объема газа; количественное определение изменения параметров адсорбирующего материала.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ предназначен для исследования сорбционной газоемкости порошкового материала (угля) и не предполагает исследование морфологии поверхности материала.
Наиболее близким к заявляемому является способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов. [Пат. 2606089 РФ, МПК G01N 13/00, B82Y 35/00, G01Q 60/24. Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов / Вихров С.П., Рыбина Н.В., Мурсалов С.М., Рыбин Н.Б., Вишняков Н.В. - Заявл. 26.10.2015; Опубл. 10.01.2017].
Сущность способа заключается в том, что получают изображения исследуемой поверхности с высоким разрешением посредством атомно-силовой микроскопии, вычисляют с помощью метода средней взаимной информации (СВИ) характеристики поверхности, классифицируют исследуемую поверхность по величине энтропии и степени упорядоченности.
Способ прототипа дает возможность исследовать морфологию поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов посредством расчета величины СВИ и оценки степени упорядоченности структуры поверхности материалов.
Существенными признаками прототипа являются: получение изображения исследуемой поверхности материала методом атомно-силовой микроскопии (АСМ); получение распределения величины СВИ методом ее расчета; классификация исследуемой поверхности материала по величине энтропии (характеризующей ее информационную емкость) и степени упорядоченности; оценка морфологии поверхности материала по изменению величины СВИ.
Существенными признаками, общими с заявляемым способом, являются: получение изображения исследуемой поверхности материала методом атомно-силовой микроскопии (АСМ); получение распределения величины СВИ методом ее расчета; классификация исследуемой поверхности материала по величине энтропии (характеризующей ее информационную емкость) и степени упорядоченности; оценка морфологии поверхности материала по изменению величины СВИ.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что способ прототипа не позволяет оценивать влияние различных концентраций газов на изменение морфологии поверхности материалов.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является разработка способа исследования изменения морфологии поверхностей газочувствительных и самоорганизующихся материалов при адсорбции на них газов-загрязнителей неорганического и органического типа посредством оценки изменения величины СВИ поверхности материала.
Технический результат достигается тем, что анализ поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии проводят в процессе подачи газа, оценивают влияние различных подаваемых концентраций газов и устанавливают величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Для достижения технического результата способ оценки влияния адсорбирующихся газов на поверхность материалов включает получение изображения исследуемой поверхности методом атомно-силовой микроскопии, получение распределения величины средней взаимной информации методом ее расчета, классификацию исследуемой поверхности по величине энтропии и степени упорядоченности, оценку морфологии поверхности материала по изменению величины СВИ, при этом анализ поверхности материалов методом атомно-силовой микроскопии проводят в процессе подачи газа, оценивают влияние различных подаваемых концентраций газов и устанавливают величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Предложена схема технологического маршрута исследования изменения морфологии поверхности посредством оценивания изменения величины СВИ поверхности газочувствительного и самоорганизующегося в зависимости от типа и величины концентрации газов, представленная ниже на фиг.
На фиг. схематично отображен алгоритм, в соответствии с которым реализуется способ исследования изменения морфологии поверхностей материалов органических полупроводниковых материалов, используемых в сенсорах газов, при адсорбции на нее газов-загрязнителей неорганического и органического типа.
Отличительными от прототипа признаками являются:
- возможность устанавливать момент изменения морфологии поверхности материала;
- оценка влияния концентрации газа на скорость изменения морфологии;
- возможность устанавливать величину критической концентрации адсорбирующегося газа-загрязнителя.
Способ осуществляется следующим образом:
В соответствии со схемой, приведенной на фиг. производился эксперимент относительно оценки изменения поверхности газочувствительных и самоорганизующихся материалов при адсорбции различных газов. Для оценки наличия изменений морфологии поверхностей производится расчет величины СВИ по морфологии поверхностей, полученных методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в процессе подачи газа.
Поскольку величина СВИ является характеристикой корреляций в нелинейных системах, то при адсорбции и десорбции детектируемых молекул газов происходит изменение морфологии поверхности материалов, связанное с изменением их поверхности. Причем, с повышением концентрации подаваемого газа становится более выраженной неупорядоченность, наблюдаемая на поверхности (или ее топологии) и теряется идентичность среди ячеек в поверхностной матрице. Последнее позволяет легко отследить изменения морфологии поверхностей материалов при адсорбции различных газов-загрязнителей.
Выбор газов основывается на наличии или отсутствии к ним чувствительности у исследуемого материала. Концентрацию газов следует увеличивать постепенно на 50-100 ppm.
В зависимости от изменения величины СВИ поверхностей материалов выстраивается корректная картина происходящих трансформаций в морфологии поверхности материалов, возникающих в результате адсорбции на них молекул газов. Как правило, наблюдается изменения в сторону значительного уменьшения данной величины. При десорбции, напротив, значения величины СВИ становятся близки к значениям до проведения эксперимента. При этом полное соответствие первоначальным значениям не происходит. В случае отсутствия изменений констатируется факт отсутствия чувствительности исследуемого материала к детектируемому газу.
В частности, данный способ позволяет оценивать наличие старения у поверхностей материалов, когда материал теряет свойство адсорбировать молекулы газов, что сопровождается прекращением изменения величины СВИ поверхностей. Таким образом, реализация указанного способа по отношению к различным газочувствительным и самоорганизующимся поверхностям позволит установить пригодность материала в качестве сенсора рассматриваемого газа. В дополнении к этому способ может быть использован для оценки критических концентраций газов, при которых происходит деградация поверхностей материалов, приводящих к их старению.
Следует отметить, что способ относится к исследованию, позволяющему с помощью использования метода АСМ-анализа поверхности газочувствительного материала и программного вычисления величины СВИ сделать детальный анализ ее морфологии без дополнительных эмпирических исследований в лаборатории, что в свою очередь позволяет экономить время и ресурсы.
Преимущества заявляемого способа состоят в том, что он позволяет оценить влияние концентрации различных газов на изменение морфологии поверхности экспресс-методом, а также установить критическую концентрацию газа, приводящую к деградации поверхности или к ее старению.