RU2548395C1 - Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров - Google Patents
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548395C1 RU2548395C1 RU2013155782/28A RU2013155782A RU2548395C1 RU 2548395 C1 RU2548395 C1 RU 2548395C1 RU 2013155782/28 A RU2013155782/28 A RU 2013155782/28A RU 2013155782 A RU2013155782 A RU 2013155782A RU 2548395 C1 RU2548395 C1 RU 2548395C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- concentration
- values
- resonant
- measuring cell
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров может найти применение в электронике, радиотехнике, природоохранной, химической и нефтяной отраслях для контроля качества проведения технологических процессов и качества готовой продукции, например, при создании полимерных нанокомпозитов, функциональных электронных и радиотехнических элементов. Технической задачей является повышение точности определения концентрации наночастиц в аморфных средах любой природы путем уменьшения влияния фоновых токов на результат измерения. Поставленная задача решается тем, что создается измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя исследуемого материала между ними, полученная измерительная ячейка помещается в низкотемпературную среду, в которой фоновые токи достигают своего минимального значения и не оказывают существенного влияния на результат измерения, затем измерительная ячейка включается в цепь и снимается вольт-амперная характеристика, по которой определяются значения резонансных потенциалов и соответствующие им значения резонансных токов, далее полученные значения резонансных потенциалов сравниваются с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляется идентификация наночастиц в исследуемом материале, затем готовится эталонный образец материала с низкой концентрацией идентифицированных наночастиц, формируется измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев проводящего материала и эталонного материала между ними, полученная эталонная измерительная
Description
Предлагаемое изобретение относится к области физических измерений и может найти широкое применение в промышленности для анализа аморфных сред на наличие в них наночастиц различных видов.
Известен способ, реализуемый на полупроводниковом устройстве (патент US 6031245, H01L 29/06, 29.02.2000), состоящем из двух активных пленок, расположенных между двумя барьерными слоями, позволяющий по величине резонансного пика на вольт-амперной характеристике прибора определять наличие наночастиц в контролируемой среде.
Недостатком этого способа является невозможность его применения для идентификации наночастиц и определения их концентрации в аморфных веществах.
Также известен способ (патент US 4780749, H01L 29/88, 25.10.1988), реализуемый на двухбарьерном туннельном диоде с модифицированным инжекционным слоем, использование которого позволяет идентифицировать наночастицы в исследуемой среде по значениям напряжения, при котором происходит туннелирование электронов через двойной потенциальный барьер.
Недостатком способа является невозможность его применения для идентификации наночастиц и определения их концентрации в веществах с неупорядоченной кристаллической решеткой.
За прототип принят способ, реализуемый на основе резонансно-туннельной структуры с встроенным слоем исследуемой среды, содержащей наночастицы, идентификация и измерение концентрации которых осуществляется путем сравнения резонансных потенциалов вольт-амперной характеристики измерительной ячейки с базой данных резонансных потенциалов различных видов наночастиц, при этом концентрация наночастиц определяется по величине резонансного тока.
Недостатком данного способа является его низкая точность при определении концентрации наночастиц в аморфных веществах, таких как полимеры и неорганические диэлектрики с неупорядоченной структурой. Это явление обусловлено влиянием собственных примесей и дефектов аморфных веществ на величину результирующего тока, по величине которого судят о концентрации наночастиц в исследуемой среде.
Техническая задача изобретения заключается в повышении точности определения концентрации наночастиц в аморфных веществах различной природы.
Поставленная техническая задача решается тем, что для определения концентрации наночастиц в исследуемой среде измерительная ячейка, состоящая из двух инжекционных слоев металла и наноразмерного слоя исследуемого вещества, включается в измерительную цепь и помещается в низкотемпературную среду (Т=77 К), в которой величина фоновых токов, обуславливающих высокую погрешность измерений при нормальной температуре (Т=300 К), значительно сокращается, а величина резонансного тока увеличивается, способствуя повышению точности измерений в несколько раз (фиг.1).
В основе предложенного метода лежит так называемый «эффект размерного квантования», который заключается в том, что спектр энергий наноразмерных частиц является дискретным и принимает строго определенные значения (Е1, Е2, Е3…Еn) в зависимости от размера, материала и вида наночастицы (Демиховский В.Я. Физика квантовых низкоразмерных структур/В.Я. Демиховский, Г.А. Вультер. - М.: Логос, 2000. - 248 с.). Эта зависимость может быть использована в измерительных целях для идентификации наночастиц и определения их концентрации в исследуемом образце. Для этого необходимо сформировать измерительную ячейку (фиг.2), состоящую из двух инжекционных слоев металла 1,4 и слоя исследуемого материала 2 с наночастицами 3, которые образуют многочисленные потенциальные барьеры и потенциальные ямы с квантованными уровнями энергии Е1, Е2, Е3, …, Еn. При включении данной структуры в цепь и приложении к ней внешнего напряжения U величина тока, протекающего через измерительную ячейку, будет равна (Davies, J.Н. (1998). The physics of low-dimensional semiconductors: an introduction, Cambridge University Press, Cambridge.):
где IР(U) - ток, обусловленный резонансным туннелированием через двухбарьерную структуру; IФ(U) - фоновый ток, возникающий в результате термоэлектронной эмиссии, ловушечной и примесной проводимости диэлектрической матрицы, а также нерезонансного туннелирования через более высокие квазистационарные уровни; S0 - площадь поперечного сечения туннельно-резонансной структуры; Sx - площадь, которую занимают наночастицы в общей площади S0 поперечного сечения туннельно-резонансной структуры; JP(U) - плотность резонансно-туннельного тока; JФ(U) - плотность фонового тока. При этом плотности резонансного JP(U) и фонового JФ(U) токов находятся по формулам:
где e - заряд электрона, равный 1,602176565(35)·10-19 Кл; m∗ - эффективная масса электрона; kB - постоянная Больцмана, равная 1,3806488(13)·10-23 Дж·К-1; ΔЕr - ширина резонансного пика, Дж; ħ - постоянная Планка, равная 1,054·10-34 Дж·с; ЕF - энергия уровня Ферми, Дж; Еr - энергия резонансного уровня, Дж; U - приложенное напряжение, В; T - температура, К; β - эмпирический коэффициент неидеальности.
Расчеты, сделанные на основе зависимостей (1-3), показывают наличие локальных максимумов тока I1 I2, I3, …, In на вольт-амперной характеристике измерительной ячейки, которые возникают при совпадении квантованных уровней энергии Е1, Е2, Е3, …, Еn наночастиц, содержащихся в исследуемой среде, с потенциалом внешнего электрического поля U1, U2, U3, …, Un. При этом значение потенциала внешнего электрического поля в вольтах равно значению энергии квантованных уровней в электронвольтах (Физическая энциклопедия /Гл. Ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т.5. Стробоскопические приборы - Яркость. 1998. С.545).
Количество квантованных уровней и их значения (Е1, Е2, E3, …, Еn) однозначно определяются видом наночастиц в исследуемой среде и позволяют провести их идентификацию, используя заранее рассчитанные значения квантованных уровней энергии для каждого конкретного вида наночастиц (Заводинский В.Г. Компьютерное моделирование наночастиц и наносистем / В.Г. Заводинский. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 176 с.).
Проведенные экспериментальные исследования показали, что величина максимумов тока I1, I2, I3, …, In на вольт-амперной характеристике зависит от концентрации наночастиц в исследуемом материале. При температуре окружающей среды Т=300 К эта зависимость носит нелинейный характер, а резонансные всплески тока слабо выражены, что обусловлено большим влиянием на результирующий ток I(U) фоновой составляющей IФ(U), которая возникает в результате термоэлектронной эмиссии, ловушечной и примесной проводимости диэлектрической матрицы, а также нерезонансного туннелирования через более высокие квазистационарные уровни. В связи с этим получить однозначную зависимость тока I(U) от концентрации наночастиц в исследуемом материале достаточно сложно.
Решить данную проблему можно путем уменьшения температуры среды, в которой находится измерительная ячейка, вплоть до температуры жидкого азота (Т=77 К). При этой температуре фоновая составляющая IФ(U) стремится к нулю, а результирующий ток I(U) практически полностью определяется резонансной составляющей Jp(U):
При этом Sx зависит от концентрации Сх наночастиц как:
Для образца материала с заранее заданной концентрацией Сэт наночастиц с учетом (4) и (5) величина резонансного тока равна:
Для исследуемого образца с искомой концентрацией Сх величина резонансного тока равна:
Совместное решение уравнений (6) и (7) позволяет получить выражение для расчета концентрации наночастиц в исследуемом материале Сх по величинам резонансных токов Ipx(U), Ipэт(U) и на основании известной концентрации наночастиц в эталонном образце Сэт:
Для максимального исключения взаимного влияния сопутствующих наночастиц на результаты измерения необходимо усреднить полученные значения концентраций по всем квазистационарным состояниям:
Для идентификации и определения концентрации наночастиц в исследуемом материале на основании полученных выражений (8)-(9) используется следующая методика.
На первом этапе формируется измерительная ячейка, содержащая образец исследуемого материала с неизвестной концентрацией неидентифицированных частиц. Для ее изготовления из исследуемой среды отбирают пробу, смешивают ее с растворителем (спирт, ацетон и т.д.), полученную субстанцию распыляют в закрытом объеме и осаждают на поверхность первого инжекционного слоя, в качестве которого используются пластины металла или полупроводника. Время осаждения выбирают таким образом, чтобы толщина осажденного слоя была равна 30-40 нм. После завершения процесса осаждения проводят сушку полученной структуры при температуре 100°C в течение 10-15 минут. Затем к поверхности осажденного слоя прикладывают полированную пластину из проводящего материала (медь, алюминий, серебро и т.д.), которую предварительно нагревают до 100°C для обеспечения более прочного соединения с осажденным слоем. В результате получают измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев металла или полупроводника с тонким слоем исследуемого материала между ними.
Далее полученную измерительную ячейку 1 помещают в криостат 2 при температуре Т=77 К и включают в измерительную цепь (фиг.3), состоящую из последовательно соединенных блока питания 3, регистратора тока 4, переменного резистора 5 и параллельно подключенного регистратора напряжения 6. С помощью переменного резистора меняют напряжение на измерительной ячейке от 0 В до 10 В, при этом на регистраторе тока и регистраторе напряжения измеряют значения тока и напряжения, по которым строят вольт-амперную характеристику.
По графику вольт-амперной характеристики определяют резонансные потенциалы U1, U2, U3, …, Un, при которых наблюдаются локальные максимумы тока Iрх1, Iрх2, Iрх3, …, Iрхn. Полученные значения потенциалов U1, U2, U3, …, Un, соответствующие квантованным уровням энергии E1, Е2, Е3, …, Еn содержащихся в исследуемой среде наночастиц, сравнивают с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляют идентификацию наночастиц в исследуемой среде. Базы данных резонансных потенциалов для различных видов наночастиц получают на основании квантово-механических моделей, построенных методами молекулярной механики и квантовой химии, с использованием специализированных компьютерных программ (MoDyp©, DockSearch, SPARTAN, Alchemy 2000, NAMD, VMD, GROMACS, HyperChem).
После идентификации наночастиц в исследуемой среде подбирают эталонный образец материала с известной концентрацией Сэт данных наночастиц. При этом в качестве эталонного образца выбирается материал с предельно низкой концентрацией наночастиц, что позволяет значительно снизить стоимость исследований.
Затем формируют вторую измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя эталонного материала между ними. Для создания второй измерительной ячейки с эталонным материалом используется та же технология, что и для получения первой измерительной ячейки, содержащей исследуемый материал. При этом толщины осажденных слоев эталонного и исследуемого материалов в первой и второй измерительных ячейках должны быть равны.
Полученную измерительную ячейку 1 с эталонным материалом помещают в криостат при температуре Т=77 К и включают в измерительную цепь (фиг.2). С помощью переменного резистора 3 меняют напряжение на измерительной ячейке от 0 В до 10 В, при этом на регистраторе тока 2 и регистраторе напряжения 4 измеряют значения тока и напряжения, по которым строят вольт-амперную характеристику. По графику вольт-амперной характеристики определяют значения локальных максимумов тока Ipэт1, Ipэт2, 1рэт3, …, Iрэтn и соответствующие им значения резонансных потенциалов U1, U2, U3, …, Un. Совпадение значений резонансных потенциалов на вольт-амперных характеристиках эталонного и исследуемого образцов свидетельствует об идентичности наночастиц в обоих образцах. На последнем этапе по формуле (8), используя известное значение концентрации наночастиц Сэт в эталонном образце, измеренные значения локальных максимумов тока Iрэт1, Iрэт2, Ipэт3, …, Ipэтn для эталонного образца и значения максимумов тока Ipx1, Ipх2, Ipх3, …, Ipxn для исследуемого образца, рассчитывают значения концентрации наночастиц Сх в исследуемом образце при всех резонансных потенциалах U1, U2, U3, …, Un и далее по формуле (9) определяют среднее значение концентрации Сх.ср частиц в исследуемом образце.
Предложенный способ в отличие от способа, взятого за прототип, позволяет проводить идентификацию наночастиц в аморфных средах любой природы, а также с высокой точностью измерять их концентрацию благодаря тому, что измерительная ячейка, содержащая исследуемый материал с наночастицами, помещается в низкотемпературную среду (Т=77К), в которой фоновые токи, вызванные собственной примесной проводимостью аморфного материала и обуславливающие большую погрешность измерений при обычной температуре (T=300К), достигают своих минимальных значений и не оказывают существенного влияния на результат измерений. Дополнительным достоинством метода является возможность использования эталонного образца с низкой концентрацией наночастиц, что значительно снижает затраты на производство эталонных образцов, содержащих дорогостоящие наночастицы благородных металлов, фуллеренов и т.д.
Предложенный способ может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, при создании функциональных материалов на основе наночастиц и полимеров, для контроля параметров полупроводниковых элементов на основе гетероструктур в ходе их производства, а также для экологического мониторинга состояния окружающей среды.
Claims (1)
- Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров, согласно которому формируют измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и слоя исследуемого материала между ними, включают полученную измерительную ячейку в цепь и снимают вольт-амперную характеристику, по которой определяют значения резонансных потенциалов и соответствующие им значения резонансных токов, затем полученные значения резонансных потенциалов сравнивают с базой данных резонансных потенциалов известных наночастиц и осуществляют идентификацию наночастиц в исследуемом материале, далее готовят эталонный образец материала, содержащий известное количество идентифицированных частиц, и формируют измерительную ячейку, состоящую из двух инжекционных слоев проводящего материала и эталонного материала между ними, включают полученную эталонную измерительную ячейку в цепь и снимают вольт-амперную характеристику, по которой определяют резонансные потенциалы и соответствующие им значения резонансных токов, на основании полученных значений резонансных токов в исследуемом и эталонном образцах, а также известного значения концентрации в эталонном образце рассчитывают концентрацию наночастиц в исследуемом образце, отличающийся тем, что измерительную ячейку с исследуемым и эталонным образцами материала погружают в низкотемпературную среду, в которой фоновые токи, вызванные собственной примесной проводимостью аморфного материала и обуславливающие большую погрешность измерений при обычной температуре, достигают своих минимальных значений и не оказывают существенного влияния на результат измерений.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013155782/28A RU2548395C1 (ru) | 2013-12-16 | 2013-12-16 | Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013155782/28A RU2548395C1 (ru) | 2013-12-16 | 2013-12-16 | Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2548395C1 true RU2548395C1 (ru) | 2015-04-20 |
Family
ID=53289294
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013155782/28A RU2548395C1 (ru) | 2013-12-16 | 2013-12-16 | Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2548395C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789605C1 (ru) * | 2022-07-13 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4194935A (en) * | 1978-04-24 | 1980-03-25 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method of making high mobility multilayered heterojunction devices employing modulated doping |
US4780749A (en) * | 1986-07-01 | 1988-10-25 | Hughes Aircraft Company | Double barrier tunnel diode having modified injection layer |
US6031245A (en) * | 1997-12-12 | 2000-02-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
RU2361190C1 (ru) * | 2008-03-21 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ определения концентрации наночастиц |
RU2411513C1 (ru) * | 2009-12-14 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Способ идентификации и контроля концентрации нанообъектов в дисперсных средах |
-
2013
- 2013-12-16 RU RU2013155782/28A patent/RU2548395C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4194935A (en) * | 1978-04-24 | 1980-03-25 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method of making high mobility multilayered heterojunction devices employing modulated doping |
US4780749A (en) * | 1986-07-01 | 1988-10-25 | Hughes Aircraft Company | Double barrier tunnel diode having modified injection layer |
US6031245A (en) * | 1997-12-12 | 2000-02-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
RU2361190C1 (ru) * | 2008-03-21 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ определения концентрации наночастиц |
RU2411513C1 (ru) * | 2009-12-14 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Способ идентификации и контроля концентрации нанообъектов в дисперсных средах |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2789605C1 (ru) * | 2022-07-13 | 2023-02-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") | Способ обнаружения и определения концентрации нанообъектов в сложных растворах |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Giannazzo et al. | Screening length and quantum capacitance in graphene by scanning probe microscopy | |
Huan et al. | Advanced polymeric dielectrics for high energy density applications | |
Zhang et al. | Graphene as a promising electrode for low-current attenuation in nonsymmetric molecular junctions | |
Shan et al. | Mapping local quantum capacitance and charged impurities in graphene via plasmonic impedance imaging | |
Sangeeth et al. | Probing the nature and resistance of the molecule–electrode contact in SAM-based junctions | |
Hevroni et al. | Tracking the Verwey transition in single magnetite nanocrystals by variable-temperature scanning tunneling microscopy | |
Leitherer et al. | Simulation of charge transport in organic semiconductors: A time-dependent multiscale method based on nonequilibrium Green's functions | |
Adohi et al. | Assessing the role of graphene content in the electromagnetic response of graphene polymer nanocomposites | |
Li et al. | Cross-plane conductance through a graphene/molecular monolayer/Au sandwich | |
Satco et al. | Intersubband plasmon observation in electrochemically gated carbon nanotube films | |
Sergeyev et al. | Electric Transport Properties of a Model Nanojunction “Graphene–Fullerene C 6 0–Graphene” | |
Romanyuk et al. | Local electronic transport across probe/ionic conductor interface in scanning probe microscopy | |
RU2548395C1 (ru) | Способ определения вида и концентрации наночастиц в неорганических аморфных средах и композитах на основе полимеров | |
Popescu et al. | Modeling of electrolyte-gated organic thin-film transistors for sensing applications | |
Kaur et al. | Ab-initio molecular characterization of nonclassical fullerenes cluster using two probe approach | |
Maheshwari et al. | Defect profiling in organic semiconductor multilayers | |
RU2411513C1 (ru) | Способ идентификации и контроля концентрации нанообъектов в дисперсных средах | |
Hu et al. | Local charge transport in two-dimensional PbSe nanocrystal arrays studied by electrostatic force microscopy | |
Hagenlocher et al. | On the origin of gap states in molecular semiconductors—a combined ups, afm, and x-ray diffraction study | |
Ushakov et al. | Identification of nanoparticles and the measurement of their concentration in thin films of nanostructurized polymers | |
Gutstein et al. | Mapping the Coulomb Environment in Interference-Quenched Ballistic Nanowires | |
Yamagishi et al. | Local carrier dynamics in organic thin film transistors investigated by time-resolved Kelvin probe force microscopy | |
Lin et al. | Carrier propagation dependence on applied potentials in pentacene organic field effect transistors investigated by impedance spectroscopy and electrical time-of-flight techniques | |
Spetzler et al. | The Role of Mobile Point Defects in Two-Dimensional Memristive Devices | |
Pinotti et al. | Characterization of organic semiconductors by a large-signal capacitance–voltage method at high and low frequencies |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151217 |