Нанокомпозиты на основе оксидов 3d-металлов. Исследования морфологии и структуры методами электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии

Антон Фуник

Монография посвящена результатам исследования морфологии, структуры и физико-химических свойств нанокомпозитных материалов на основе оксидов 3d-металлов с углеродной и кремниевой матрицами. Адресована специалистам, работающим в области рентгеновской спектроскопии, материаловедения и смежных специальностей. Может быть полезна аспирантам и студентам, обучающимся по направлениям «Физика», «Нанотехнологии и микросистемная техника», «Материаловедение». Результаты исследований, приведенные в монографии, были получены при поддержке гранта Южного федерального университета ВнГр-07/2017-30 и гранта Министерства образования и науки Российской Федерации № 11.2432.2014/К.

Введение

Функциональные наноматериалы с заданными свойствами, технологии их создания и методики диагностики являются наиболее наукоемкими и перспективными направлениями современного материаловедения. С фундаментальной точки зрения большой интерес представляет исследование электронной и атомной структур наноматериалов, а также выявление закономерностей взаимосвязи их структурных характеристик и физико-химических свойств, которые в большинстве случаев отличны от свойств объемных материалов. С прикладной точки зрения — изучение их физических характеристик, позволяющих определить область возможных применений создаваемых наноматериалов.

Особенное место среди наноматериалов занимают нанокомпозиты. В частности, в последние десятилетия активно синтезируются и исследуются нанокомпозиты на основе оксидов 3d-переходных металлов с различными типами матриц. Для нанокомпозитов такого вида может быть реализована возможность адаптации их физико-химических свойств в зависимости от параметров и условий синтеза, которые определяют состав, морфологию и структуру составляющих компонент. Необычные физико-химические свойства таких композитов делают их привлекательными с точки зрения применения в различных устройствах, таких как солнечные батареи, газовые сенсоры, катализаторы, суперконденсаторы, микросистемы полного аналитического контроля, преобразователи излучения и многих других. Это связано с тем, что нанокомпозиты с таким составом обладают рядом улучшенных характеристик в сравнении с чисто металлоксидными материалами. Например, более высокой газочувствительностью, термической, электрической, оптической и магнитной активностью. Исследование влияния параметров синтеза на морфологию поверхности нанокомпозита, его атомную и электронную структуру в комплексе с определением его физических характеристик в дальнейшем позволяет получить необходимую информацию для синтеза материалов с заданными свойствами.

При изучении особенностей атомной и электронной структуры материалов высокой информативностью обладают экспериментальные рентгеновские методы, в том числе и с использованием синхротронного излучения, такие как методы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (международный термин X-ray Photoelecton Spectroscopy, XPS), рентгеновской дифракции (международный термин X-ray diffraction, XRD), рентгенофлуоресцентного анализа (международный термин X-ray яuorescence analysis, XRF), рентгеновской спектроскопии поглощения (X-ray absorption spectroscopy, XAS). При изучении морфологии поверхности нанокомпозитов и пленок на их основе одним из информативных методов является метод растровой (сканирующей) электронной микроскопии (международный термин Scanning Electron Microscopy, SEM), позволяющий получить изображение поверхности объекта с высоким разрешением, информацию о структуре, составе и строении приповерхностных слоев материалов. Следует отметить, что исследуемые материалы представляют собой сложные, многофазные системы. Наиболее интересным является вопрос о фазовом составе как нанокомпозита в целом, так и отдельных его структурных компонент, а также механизмах взаимодействия между ними. Однако ответить на него достаточно сложно даже при использовании нескольких взаимодополняющих методов диагностики.

В процессе выполнения работ нами было использовано современное оборудование станций RGL, КМС-2 и ВМ 26А установок МЕГА-класса Берлинского центра синхротронного излучения (Bessy II, г. Берлин, Германия), Европейского синхротронного центра (ESRF, г. Гренобль, Франция), а также института нанометровой оптики и технологии (HZB, г. Берлин, Германия), центров коллективного пользования Южного федерального университета, сотрудникам которых мы приносим искреннюю благодарность. Кроме того, выражаем благодарность нашим соавторам и консультантам — профессору ЮФУ Козакову А. Т., профессору ЮРГПУ Смирновой Н. В., доцентам ЮФУ Мясоедовой Т. Н., Плуготаренко Н. К, Семенистой Т. В., Попову Ю. В., Налбандяну В. Б. за плодотворные совместные исследования.