автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Оптические характеристики полимерных композиционных материалов с квантовыми точками для фотоэлектрических преобразователей и оптоэлектронных устройств хранения данных

На правах рукописи

КУЛЬБАЦКИЙ Дмитрий Михайлович

ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2009

003486456

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Ушаков Николай Михайлович

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор

Сивяков Борис Константинович

кандидат физико-математических наук, доцент Ященок Алексей Михайлович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт «Волга», г. Саратов

Защита состоится « 19» ноября 2009 г. в 133" часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, ауд. 2/404

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 16 » октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной физике твердого тела широкое внимание уделяется исследованию объектов пониженной размерности, так как переход к приборам на наноструктурах перспективен с точки зрения увеличения быстродействия обработки информации, уменьшения затрат энергии в пересчете на одну логическую операцию, увеличения плотности хранимой информации, улучшения стабильности работы. Кроме этого, наноструктуры могут найти широкое применение в оптических приборах приема и обработки информации. Причиной этого является возможность создания материала с уникальными свойствами, существенно отличающегося от свойств существующих в макроскопическом (массивном) состоянии материалов. Примером может служить возможность изменения показателя преломления, создания светофильтров требуемого диапазона, изменения края фундаментального оптического поглощения (эффект Бур-штейна-Мосса), создания запрещённой зоны для энергий фотонов (фотонные кристаллы), а также получения различного рода динамических нели-нейностей на основе квазичастиц.

На величину проявляемых свойств нанокомпозита влияют не только размер и структура расположения входящих в него наночастиц металла или полупроводника - «квантовых точек» (КТ), но и материал стабилизирующей матрицы. По этой причине в настоящее время ведутся активные поиски различных сочетаний наночастица-стабилизирующая матрица, а также способа стабилизации, который давал бы максимальный эффект от присутствия наночастиц. На данный момент одним из новых и актуальных направлений решения такого рода задачи является стабилизация наночастиц в различных полимерных матрицах. По этой причине возрастает интерес к использованию органических нанокомпозитных материалов для построения различных устройств в наноэлектронике. Полимерные материалы или высокомолекулярные соединения являются важнейшим классом современных материалов, широко используемых в различных образцах техники, а также в быту. Они отличаются широкими возможностями регулирования состава, структуры и свойств. Основными достоинствами полимерных материалов являются: низкая стоимость, простота массового производства, малая энергоемкость методов получения и переработки, невысокая плотность, низкая теплопроводность, высокие оптические, радио- и электротехнические свойства, высокая стойкость к агрессивным средам, а также к ударным нагрузкам. Из этого следует, что полимеры представляют собой естественные низкоразмерные системы, достаточно технологические и относительно недорогие по сравнению с искусственно приготовленными неорганическими материалами, обладающие всеми необходимыми свойствами для стабилизации в них различных типов наночастиц. Поэтому в данной

работе предлагается использовать именно полимерные нанокомпозиты как перспективный материал для создания устройств оптоэлектроники.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей взаимодействия электромагнитных (ЭМ) волн в диапазоне 400-1600 нм с полимерными композитами на основе наночастиц металлов (Fe и Ag) и полупроводников (CdS и NiO), стабилизированных в объеме матриц полиэтилена высокого давления (ПЭВД) и полиметилметакрилата (ПММА), а также на поверхности ультрадисперсных гранул политетрафторэтилена (УПТФЭ) при температурах в диапазоне 25-75 °С, а также разработка принципов построения новых оптоэлектронных устройств хранения данных и совершенствование фотоэлектрических преобразователей.

Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:

1. Разработка метода измерения и расчета оптических характеристик (коэффициента рассеяния и поглощения) полимерных нанокомпозитов с учетом возможного изменения температуры образца в диапазоне 25-75 °С в соответствии с выбранной двухпотоковой моделью Кубелки-Мунка.

2. Измерение спектра отражения, а также коллимированного и диффузного пропускания (в диапазоне 400-1600 нм), при различных значениях температуры (в диапазоне 25-75 °С) следующих полимерных нанокомпозитов: Fe, CdS и NiO в объеме матрицы ПЭВД, Ag в объеме матрицы ПММА и наночастиц CdS + ZnS, стабилизированных на поверхности УПТФЭ и находящихся в объеме эпоксидно-диановой смолы.

3. Исследование оптических характеристик полимерных нанокомпозитов в зависимости от массовой концентрации и размера наночастиц при различных температурах.

4. Экспериментальное исследование возможности использования толстых пленок полимерных металлосодержащих нанокомпозитов (0.120 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА) в качестве просветляющих покрытий для фотоэлементов, а также разработка методики и измерение увеличения фото-генерируемой мощности солнечных батареи.

5. Исследование зависимости изменения электрофизических характеристик полимерного композита на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД под воздействием УФ-излучения, а также электрического поля. Разработка на основе экспериментальных данных принципа работы нового типа оптоэлектронной энергонезависимой памяти.

Научная новизна работы:

• Впервые применена двухпотоковая модель Кубелки-Мунка для исследования полимерных нанокомпозитов в видимой и ближней ИК-области, дающая возможность теоретического расчета двух независимых коэффициентов (поглощения и рассеяния), а также возможность оценки влияния каждого из них на оптическое ослабление излучения в объеме исследуемого материала.

• Получены закономерности влияния массовой концентрации (5-20 %) и размера наночастиц на оптические характеристики полимерных композитов на основе наночастиц CdS в матрице ПЭВД при комнатной температуре.

• Впервые проведены исследования и получены новые закономерности термооптического поведения полимерных композитов на основе наночастиц Ag и CdS в матрице ПММА и ПЭВД соответственно в диапазоне температур 25-75 °С.

• Впервые проведены исследования просветляющих свойств толстых пленок (50-100 мкм), состоящих из металлосодержащего полимерного композита на основе 0.1-20 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА, на поверхности кремневых фотоэлементов. Показано, что после нанесения металлосодержащего полимерного покрытия происходит увеличение фотоге-нерируемой мощности солнечной батареи более чем на порядок относительно первоначального ее значения.

• Разработан принцип построения нового типа энергонезависимой оп-тоэлектронной памяти на квантовых точках (KT) с возможностью записи лазерным лучом.

Научная и практическая значимость работы состоит том, что впервые исследованы основные оптические характеристики (поглощение, рассеяние и дисперсия) полимерных нанокомпозитных материалов в диапазоне 400-1600 нм в температурном интервале 25-75 °С; выявлены их особенности и закономерности, которые могут найти применение в реальных оптоэлектронных устройствах и их элементах. На основе полученных результатов измерений предложено использовать в качестве эффективных просветляющих покрытий толстые пленки (50-100 мкм) металлосодержа-щих нанокомпозитов. Преимущество таких покрытий по сравнению с просветляющими покрытиями на оптически согласующих пленках, заключается в относительной технологической простоте нанесения, высокой просветляющей способности (коэффициент прозрачности 95-98 %) при малой из-резанности спектральной характеристики. Результатом просветления является увеличение фотогенерируемой мощности солнечной батареи более чем на порядок.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке различных устройств оптоэлектроники, включая фотопреобразователи разного назначения, в т.ч. солнечные батареи, а также для создания нового оптоэлектронного типа энергонезависимой памяти на KT, имеющей большие перспективы к увеличению плотности хранимой информации.

Достоверность полученных научных результатов обусловлена строгостью применяемых математических теорий и воспроизводимостью экспериментальных результатов. Экспериментальные данные подтверждались независимыми исследованиями на двухлучевом спектрофотометре

CARY 2415 производства фирмы VARIAN (USA), a также на прецизионном спектрофотометре Lambda 950.

На защиту выносится следующие положения и результаты:

1. Для полимерных композитов на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД в диапазоне оптических длин волн 590-900 нм имеет место закономерность изменения коэффициента поглощения от размера и массовой концентрацией наночастиц. Согласно полученной закономерности уменьшение размера наночастиц и (или) уменьшения их массовой концентрации в объеме ПЭВД приводит к увеличению коэффициента поглощения и его смещению в сторону коротких длин волн, при комнатной температуре.

2. Полимерным композитам на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД присуще наличие выпуклой функциональной зависимости коэффициента поглощения от температуры при нагреве (25-70 °С с максимумом при 55 °С) и охлаждении (70-55 °С) с образованием термооптического гистерезиса в интервале температур 55-70 °С при оптических длинах волн 650900 нм.

3. Нанесение толстой пленки (50-100 мкм) полимерного композита с 0.1-15 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА увеличивает фотогенери-руемую мощность солнечной батареи, состоящей из поликристаллического кремния, более чем на порядок относительно первоначального ее значения.

4. Разработан принцип построения нового типа оптоэлектронной энергонезависимой памяти на KT для хранения и переноса цифровой информации на основе анализа экспериментальных данных по изменению электрофизических параметров полимерных нанокомпозитов после воздействия на них лазерным излучением, а также электрическим полем.

Личный вклад диссертанта и результаты, полученные с другими исследователями. Основные результаты диссертации получены автором лично. Постановка ряда задач, разработка методов их решения, объяснения и интерпретация результатов были осуществлены совместно с научным руководителем и другими соавторами научных работ, опубликованных соискателем.

Работа выполнена на филиале кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета при Саратовском филиале института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Гранты. Работа выполнялась при финансовой поддержке: Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ 06-08-01011), Министерства образования и науки РФ (фант РНП 2.1.1.8014 и РНП 2.1.1/575), а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.»),

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях: «Nanos-tructures: Physics and Technology» (Minsk, Belarus, 2009); «Наноэлектроника,

нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2009); «Nanostructures: Physics and Technology» (Vladivostok, Russia, 2008); «Радиотехника и связь» (Саратов, 2008); 4-nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2008) (Alushta, Crimea, Ukraine); «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2008); «Наноэлек-троника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2008); Международном научно-техническом конгрессе термистов и металловедов (Харьков, Украина, 2008); «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008); 11-й Международной молодежной научной школе по оптике, лазерной физике и биофизике (Саратов, 2007); «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2007); «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология» ФГУП «Научно-производственное предприятие «Контакт»» (Саратов, 2007); «Радиотехника и связь» (Саратов, 2007); «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007).

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 90 наименований. Объем работы составляет 195 страниц текста, включая 96 рисунков, 3 таблиц и 46 формул.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность работы, определены основные цели и задачи исследования, отражена научная новизна полученных результатов, их практическая ценность и апробация.

Глава 1 «Взаимодействие оптических волн с полимерными наноком-позитами» носит характер обзора, в котором показаны причины появления квантово-размерных свойств в наноструктурах, а также перспективы применения их в современных образцах оптоэлектронных устройств и нано-электронных технологиях. Применительно к теме диссертации показаны особенности взаимодействия ЭМ волн оптического диапазона с нанокомпо-зитами и полимерами. Обоснована причина выбора в качестве стабилизирующей матрицы для наночастиц различных полимеров, а также отображены основные физико-механические характеристики и структурные особенности строения высокомолекулярных химических соединений. Особое внимание уделено сложностям при исследовании оптических характеристик полимерных нанокомпозитов и выбранному пути их преодоления на основе использования теории переноса, в частности двухпотоковой модели Кубелки-Мунка.

В Главе 2 «Объекты и методы исследования оптических свойств полимерных нанокомпозитов с квантовыми точками» приведено подробное описание строения, а также физико-механические и оптические характери-

стики используемых карбоцепных полимеров в качестве стабилизирующих матриц, в частности полиэтилена высокого давления (ПЭВД), полиметил-метакрилата (ПММА) и ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ). Описана используемая методика получения наночастиц (метод «класпол») на основе Fe, Ag, NiO и CdS в объеме ПЭВД и ПММА, а также наночастиц CdS + ZnS на поверхности УПТФЭ. Приведены данные РФА анализа полимерных нанокомпозитов. Подтверждение наличия наночастиц в исследуемых композитах проводили на основе микроснимков просвечивающей электронной микроскопии.

Конечным продуктом синтеза полимерных композиционных материалов являлся порошок. Из полученных нанокомпозитных порошков методом термопрессования формировали образцы в виде пленок толщиной от 50 до 200 мкм.

Спектральные измерения проводились на модернизированном комплексе КСВУ-2 (LOMO, Russia), а также двухлучевом спектрофотометре CARY 2415 производства фирмы

^ ^VARIAN (USA). Модернизация комплекса КСВУ-2 состояла в изменении све-Рис. 1. Схема измерительного комплекса: 1 - колли- топриемной части, в част-мированный монохроматический световой поток (от ности была добавлена ин-МДР-23); 2 - интегрирующая сфера; 3 - рассеиваю- теГрирующая сфера с двумя щее стекло; 4, 5-фотоприемники; 6-исследуемый фотоприемшшши на базе образец; 7 - плата расширения; 8 - компьютер; 9 - _[ , „ .

термодатчик; 10-термостабилизатор; 11-радиатор; фотодиодов ФД-24к, кото-12-спиральный нагреватель рые подключались к плате

расширения для согласования с персональным компьютером. Также было создано специальное программное обеспечение, дающее возможность записи спектров в непрерывном режиме (рис. 1). Для изучения температурной зависимости оптических спектров исследуемых материалов к уже модернизированному комплексу был добавлен радиатор, в середине которого находится прозрачное силикатное стекло (для равномерной передачи тепловой энергии исследуемому образцу). Радиатор нагревался от спиральной нити под контролем термостабилизатора. Контроль заданной температуры обеспечивался на основе данных, поступающих с термодатчика, размещенного на радиаторе (рис. 1). Измерение зависимости оптических спектров от температуры производили последовательно при нагреве и охлаждении (при стабилизированной температуре измеряли спектр пропускания и отражения).

Погрешность всех приведенных измерений не превышала 1 %.

Следует отметить, что в результате модернизации расширены функции прибора, но при этом не изменены характеристики промышленного образца.

Основными измеряемыми данными были: интенсивность коллимиро-ванного и диффузного пропускания, а также величина диффузионного отражения от исследуемого образца. Диапазон исследуемых оптических длин волн лежал в интервале 400-1600 нм. Термооптические исследования проводились в интервале температур 25-75 °С.

В качестве математической модели для расчета основных оптических коэффициентов, необходимых для комплексного описания распространения света в объеме исследуемого оптического материала, была выбрана двухпотоковая модель Кубелки-Мунка. Данная модель основана на диффузном приближении расчета уравнения переноса. Это означает, что двухпотоковая модель Кубелки-Мунка хорошо описывает распространение диффузного света в случайно неоднородной оптической среде, в которой преобладает рассеяние.

Расчет спектров по двухпотоковой модели Кубелки-Мунка производился по следующим формулам:

S, = — In ' bL

1 -R,(a-L)

а =

2 R, '

b = I;

(1)

м, =/« +А.;

где ц, - приведенный (редуцированный) коэффициент рассеивания; Нд Т,1 - диффузное отражение и пропускание светового потока; R - коэффициент отражения при нормальном падении светового потока.

Определение ¡и, основано на измерении коллимированного пропускания, используя закон Бугера-Ламберта-Бера:

Т =

1-

и-1

« +1

2\

exp {-n,L)

(2)

где п - коэффициент преломления; Тс - коллимированное пропускание светового потока.

Показатель преломления рассчитывался по формуле:

_(\ + Rd + ^4R,-k2(\-Rdf)

Yl — _ »

1 -R,

к = {Х14т1)ца,

где и - показатель преломления; к - показатель поглощения; X - длина волны монохроматического излучения.

В Главе 3 «Оптические характеристики в видимой и ближней области ИК-спектра, композитов на основе наночастиц металлов и их оксидов с объемной стабилизацией в полимерных матрицах» приведены результаты исследований композитов на основе наночастиц Fe, NiO в объеме ПЭВД, а также наночастиц Ag в объеме ПММА. Спектры пропускания для образцов полимерных композитов на основе наночастиц Fe в матрице ПЭВД измеряли на двухлучевом спектрофотометре CARY 2415 производства фирмы VARIAN (USA).

На рис. 2 изображен спектр оптического поглощения композита на

основе 5 масс. % наночастиц Fe в матрице ПЭВД при комнатной температуре. Важной особенностью измеренного спектра на рис. 2 явилось существование локальных максимумов поглощения (Ei-Eg) на широком пике поглощения с верхней границей 1.5 эВ. Анализ различных образцов железосодержащих полимерных нанокомпозитов (на основе матрицы ПЭВД) показал, что данный пик поглощения наблюдается

•е-

п g

3.5

1,0

2,5

Photon energy, eV Рис. 2. Коэффициент поглощения композитного нано-материала на основе 5 масс. % наночастиц Fe в матрице только для КОМПОЗИТОВ, в ПЭВД которых средний размер

наночастиц не превышает 4 нм. В результате было сделано предположение, что локализованные пики поглощения (в районе 0.5-1.5 эВ) на образцах железосодержащих полимерных нанокомпозитов имеют квантово-размерную причину появления.

Полимерная матрица, являющаяся инертным стабилизатором для наночастиц, имеет множество переходов между аморфными и кристаллическими частями структуры, что приводит к рассеянию света, и как следствие, к увеличению оптических потерь. Рассеяние света может происходить и на наночастицах в соответствии с теориями Рэлея и Ми. В результате оп-

9.5-,

90-

8.5-

8.0-

7.5-

7.0-

6.5-

6.0-

5.5-,

5 0-

4.5-

4.0-

3.5-

30-

2.5-

1- модель Кубелки-Мунка

2- без учета рассеяния

I 1'\

1000 X пт

тические потери в полимерных нанокомпозитах складываются из потерь на поглощение и потерь, связанных с рассеянием.

На рис. 3 изображены кривые оптических потерь, связанных только с поглощением (кривая 1) и общие оптические потери (кривая 2) в объеме полимерного нанокомпозита (включая и на рассеяние).

Как видно из рис. 3, рассеяние света в нано-композите вносит существенный вклад в общие оптические потери. Коэффициент рассеяния в полимерных нанокомпозитах на основе матрицы ПЭВД в 3. Спектральные зависимости оптических потерь

„,,„,,„ а„,.......... ....в полимерном композитном материале 5 масс. % нано-

видимои и ближнеи части гк „„„„ '

, „. частиц ге в матрице ПЭВД

ИК-спектра, превышает

коэффициент поглощения по причине высокой его кристалличности (до 60 %). Использование двухпотоковой модели Кубелки-Мунка дает возможность разделить коэффициент поглощения и рассеяния. По этой причине дальнейшие исследования полимерных нанокомпозитов производились только на основе двухпотоковой модели Кубелки-Мунка.

Для уменьшения оптических потерь на рассеяние в объеме полимерного нанокомпозита была выбрана стабилизирующая матрица на основе аморфного полимера с максимальным значением коэффициента пропускания. Рис. 4. Спектральная зависимость обратного отра-Таким полимером оказался жения оптического излучения от промышленно вы-ПММА. В качестве материа- пУскаем°й солнечной батареи с нанесенной пленкой

„„ „„., __________,..„. ,„„ „.. из композита на основе 0.1-20 масс. % наночастиц

ла для наночастиц было вы- „,„... „,„ ,„„

- Аа в матрице ПММА, толщиной 50-100 мкм

брано серебро по причине

устойчивости к образованию оксидов, а следовательно, малой скоростью

0.60-,

0.25-

-ПММА+Ад ]

— — без пленки

—I—

700

Мпгп]

—I—

800

«старения» за счет слабой диффузии атмосферных газов через микропоры полимера. Нанесение пленки из композита ПММА с 0.1-20 масс. % наноча-стиц толщиной 50-100 мкм на промышленно выпускаемую солнечную батарею (на основе поликристаллического кремния), показало существенное уменьшение обратного отражения света на всем интервале исследуемых длин волн (рис. 4).

Для применения полимерных нанокомпозитов в качестве просветляющих покрытий необходима также температурная стабильность.

Такое исследование было проведено для полимерного композита на основе 20 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА на основе изменения интенсивности коллимированного пропускания на фиксированной оптической длине волны 650 нм при различных значениях температуры на нагреве и охлаждении. В течение двух циклов. По результатам проведенного эксперимента сделан вывод, что ПММА с наночастицами Ag устойчив к нагреву и последующему охлаждению, предположительно, по причине высокой температуры плавления ПММА.

В Главе 4 «Оптические характеристики в видимой и ближней области ИК-области спектра, полимерных композитов на основе наночастиц сульфида кадмия и цинка» были исследованы оптические свойства полимерных нанокомпозитнов на основе наночастиц из полупроводниковых материалов (СёБ и ZnS) в зависимости от среднего размера наночастиц, массовой концентрации, способа стабилизации (в объеме и на поверхности на-ногранул), а также температуры нанокомпозита.

Сульфид кадмия - полупроводниковый материал с запрещенной зоной 2.4 или 2.5 эВ в зависимости от кристаллической решетки (сфалерит или вюрцит соответственно). Точного совпадения запрещенной зоны для наночастиц сульфида кадмия по сравнению с объемным материалом не следует ожидать, т.к структура наночастиц не может являться кристаллической структурой вюрцита или сфалерита, а должна представлять собой неупорядоченную плотноупакованную (так называемую политипную) структуру.

Изначально была исследована функциональная зависимость оптических параметров композитных пленок на основе полимерной матрицы ПЭВД от массовой концентрации и размера наночастиц (при комнатной температуре). На рис. 5а показаны полученные спектральные зависимости коэффициента оптического поглощения в нанокомпозитной среде с 20 масс. % сульфида кадмия в полимерной матрице, но с разными размерами наночастиц. Из приведенного графика (рис. 5а) видно, что основной максимум оптического поглощения для представленных образцов находится в диапазоне 500-590 нм, что соответствует краю фундаментального электронного поглощения (КФЭП) сульфида кадмия. Интересной особенностью стало наблюдение пика поглощения в районе 590-950 нм. Этот пик поглощения можно назвать «хвостом» КФЭП нанокомпозита. Величина данного

пика зависит от размера наночастиц в полимерной матрице. На основании представленной спектральной зависимости, коэффициента поглощения от размера наночастиц в композите можно сказать, что наибольшим поглощением обладают образцы с наименьшими средними размерами наночастиц сульфида кадмия. Это может явиться следствием того, что при равных массовых долях наночастиц в матрице, но с разным значением размера количество наночастиц в объеме матрицы с меньшим размером преобладает над более крупными частицами. Соответственно большее количество наночастиц в объеме стабилизирующей матрицы способствует более яркому проявлению размерных эффектов в нанокомпозите. Например, при концентрации наночастиц в полимере 10|7см"3 активная поверхность на границе на-ночастица-матрица составляет порядка 105см2. Подтверждением данного предположения может являться практически полное отсутствие данного пика (590-950 нм) в образцах с поверхностной стабилизацией на наногра-нулах ПТФЭ.

Более детальный анализ пиков показал их хорошую аппроксимацию Лоренцевыми кривыми (распределение Коши). В частности, анализ «хвоста» КФЭП наночастиц со средним размером 6.2 нм показал наличие двух Лоренцевых осцилляторов (1 - 660 нм, 2-838 нм).

1 - d=4.9 п

2 - d=5,6 nm

3 - d=6,2 nm

г is

1 - 5% wl. CdS-PE

2 -10% wt CdS-PE

3-15% wt. CdS-PE

4-20% wt. CdS-PE

'/. [nm] Ptioton energy (eV)

а б

Рис. 5. Спектральная зависимость коэффициента поглощения для нанокомпозита с 20 масс. % наночастиц CdS в матрице ПЭВД с различным значением размера наночастиц (а), а также с различной массовой долей наночастиц сульфида кадмия (б) в объеме матрицы ПЭВД

На рис. 56 показана спектральная зависимость коэффициента поглощения для нанокомпозита с различными значениями массовой доли наночастиц сульфида кадмия в объеме матрицы ПЭВД. Величина оптического поглощения возрастает с уменьшением массовой доли сульфида кадмия в объеме стабилизирующей матрицы; исключение составил только образец с

5 масс. % сульфида кадмия в матрице ПЭВД. Это связано с тем, что при увеличении концентрации растет и величина размера наночастиц по причине их агломерации, следовательно уменьшается и размерный эффект (поглощение оптического излучения в районе «хвоста» КФЭП нанокомпози-та). Существует и обратный процесс, наблюдаемый только при малых значениях концентраций (до 10 масс. %). Данный процесс связан с тем, что повышение массовой доли сульфида кадмия в объеме стабилизирующей матрицы приводит к росту количества наночастиц, что усиливает размерной эффект. В нашем случае для наночастиц сульфида кадмия в матрице ПЭВД интенсивная агломерация начинается при значении массовой концентрации в диапазоне 10-20 %.

При уменьшении размера наночастиц доля кристаллической структуры ее уменьшается в сторону политропного строения, следовательно и наблюдаемый КФЭП нанокомпозита (связанный с материалом наночастиц) изменяет величину и границу поглощения в нанокомпозите (см. рис. 5а). На этих зависимостях также наблюдается малый сдвиг максимума «хвоста» КФЭП нанокомпозита в сторону коротких длин волн с уменьшением размера наночастиц.

Экспериментальные исследования зависимости оптических характеристик среды от температуры проводилось в диапазоне 25-75 °С. Для упрощения описания изменений оптических спектров, вызванных нагревом и охлаждением нанокомпозита, были выделены три оптические длины волны:

1. Область начала «хвоста» КФЭП нанокомпозита (570 нм).

2. Область максимума «хвоста» КФЭП нанокомпозита (650 нм).

3. Область с минимальным уровнем оптического поглощения нанокомпозита (820 нм).

тсо

»о 800-

Т(°С)

а б

Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения (а) и рассеяния (б) от температуры (для трех длин волн) композитной пленки состоящей из 30 масс. %, наночастиц СсЗБ, стабилизированных в матрице ПЭВД (1 - 570 нм, 2 - 650 нм, 3 - 820 нм)

Построенная на базе трех оптических длин волн функциональная зависимость влияния температуры на оптические характеристики нанокомпо-зитных пленок показана на рис.6.

По экспериментально полученным результатам выявлена тенденция к увеличению коэффициента поглощение при нагреве нанокомпозита, особенно в области «хвоста» КФЭП нанокомпозита (570-800 нм) (рис. 6а). Такая зависимость прослеживается до ~55 "С для нанокомпозитов 10 и 30 масс. % СсШ в матрице ПЭВД. При повышении температуры выше 55°С происходит обратный процесс (уменьшение коэффициента поглощения) и к 70 °С среднее значение коэффициента поглощения становится приблизительно на уровне 22 °С.

В Главе 5 «Совершенствование фотоэлектрических преобразователей и разработка принципа оптоэлектронного устройства хранения данных» представлены результаты измерения величины эффекта от использования просветляющего покрытия на основе полимерного композита с объемно стабилизированными наночастицами в матрице ПММА на фото-генерируемую мощность солнечной батареи, состоящей из поликристаллического кремния, а также результаты исследования зависимости электрофизических характеристик полимерного композита на основе наночастиц СёБ в объеме матрицы ПЭВД от воздействия УФ излучением и электрическим полем. Описан принцип работы оптоэлектронной энергонезависимой памяти на КТ.

Основной критерий выбора полупроводникового материала для изготовления солнечного элемента, кроме экономических соображений, заключается также в наличии запрещенной зоны в районе максимума спектральной интенсивности солнца, а также высокой подвижности и времени жизни основных носителей. В качестве материала для солнечного элемента идеально подходит арсенид галлия, обладающий высоким значением квантового выхода, а также радиационной и термической стойкостью. Недостатком является высокая цена солнечных фотоэлементов на его основе. Поэтому в качестве материала для изготовления солнечных элементов используется более дешевый аморфный или поликристаллический кремний (КПД < 10 %) и в меньшей степени кристаллический кремний (КПД < 45 %). В этом случае эффективность фотоэлектрического преобразования фотоэлемента или солнечной батареи можно повысить за счет нанесения просветляющего покрытия. Эффективность использования просветляющих покрытий описывают коэффициентом пропускания просветляющего покрытия. Коэффициент пропускания просветляющего покрытия - это отношение числа поглощенных фотонов в материале фотоэлемента к общему числу упавших фотонов. Из формул Френеля следует, что чем больше коэффициент преломления основного материала солнечного фотоэлемента, тем большая интенсивность света отражается от поверхности

раздела сред (воздух-солнечный фотоэлемент), не участвуя в фотоэлектрическом преобразовании. Примером может служить средняя спектральная интенсивность отражения от поверхности кремния (в видимом диапазоне оптических длин волн), составляющая 35 %.

Анализ некоторых теоретических статей и публикаций показал, что металлосодержащие нанокомпозиты могут успешно применяться в качестве оптических просветляющих покрытий. Эффект просветления основан на поляризации наночастиц металла, стабилизированных в прозрачном диэлектрическом материале, под действием падающей ЭМ волны.

Методика эксперимента по измерению величины эффекта от использования металлосодержащего полимерного нанокомпозита (наночастицы Ag в объеме матрицы ПММА) в качестве просветляющего покрытия на солнечной батареи заключалась в создании замкнутой электрической цепи, в которой источником электроэнергии является солнечная батарея, а фото-генерируемая энергия рассеивается на согласованной нагрузке. Измерение напряжения на согласованной нагрузке, а также тока через нее производили одновременно. Номинал согласованной нагрузки определяли для каждой солнечной батареи до начала эксперимента. В результате экспериментов было получено увеличение фотогенерируемой мощности солнечной батареи более чем на порядок относительно первоначального значения после нанесения толстой пленки композита, содержащего 0.1-20 масс. % наночастиц Ag в объеме матрицы ПММА.

Задача просветления оптических покрытий схожа с проблемой создания антибликовых покрытий, в частности для мониторов. При этом полимерные нанокомпозитные покрытия просты в нанесении по причине нежестких требований к толщине слоя. Результатом будет являться лучшая передача цвета на малых значениях яркости независимо от внешнего освещения, а следовательно, более «живое» изображение. Данное антибликовое покрытие может быть совместимо с распространенными сейчас LCD мониторами. Отличить такого рода мониторы можно будет по отсутствию в них какого-либо отражения, что в различной степени наблюдается на всех массово распространенных типах современных мониторов.

В предлагаемом оптико-электронном типе памяти основным метаста-бильным материалом является нанокомпозитная пленка. В данном типе памяти не будут использоваться какие-либо транзисторы для хранения информации. Технология записи информации будет аналогична SLC режиму флэш-памяти. Архитектура компоновки элементарных ячеек хранения информации не будет иметь принципиального значения, но для достижения максимальной эффективности лучше использовать архитектуру NAND.

Состав оптико-электронного типа памяти на основе композитной пленки с квантовыми точками будет включать:

1. Нанокомпозитную пленку.

2. Матрицу из светодиодов с УФ спектром излучения.

3. Две прозрачные полимерные пленки, на каждую из которых с одной сторону нанесены параллельные полосковые линии.

Элементарным блоком хранения информации в оптико-электронном типе памяти на основе нанокомпозитной пленки будет область перекрещивающихся проводников находящихся под светодиодом. Внутри данного блока каждое пересечение проводников образует элементарную ячейку памяти, выборка которых происходит по строке (верхние полосковые проводники) и столбцу (нижним полосковым проводникам). Для записи (рис. 7) необходимо засветить элементарный блок хранения информации оптико-электронного типа памяти на основе нанокомпозитной пленки УФ излучением от светодиода. Во время засветки светодиодом будет происходить захват электронов на локализованных энергетических ловушках (уровнях). В результате весь элементарный блок хранения информации будет переходить в логическое состояние «О». После облучения нанокомпо-зита УФ излучением следует выборочно в соответствии с записываемыми данными перевести требуемые элементарные ячейки информации в состояние логической «1». Состояние логической «1» достигается при уменьшении энергетически локализованных электронов в объеме нанокомпозита между перекрещивающимися проводниками, соответствующими по значению выбранной строке и столбцу. Уменьшение энергетически локализованных электронов в объеме нанокомпозита можно проводить двумя способами: подать постоянное электрическое поле (в нашем примере достаточно было 200 В/см) или нагреть необходимую элементарную ячейку хранения информации до определенной температуры. Возможно использование обоих методов одновременно для ускорения эффекта.

Чтение информации с оптико-электронного типа энергонезависимой памяти будет производиться на основе определения сопротивления элементарной ячейки хранения информации.

На рис. 7 показана экспериментальная зависимость изменения проводимости под действием УФ излучения лазера ЛГИ-21 с длиной волны 338 нм и средней мощностью 5 мВт (переход 1-2). В течение нескольких часов нанокомпозит переходил в состояние 3 за счет медленной релаксации заряда вследствие его захвата мелкими энергетическими ло-

Начальные состояние

Возбужденнее состояние

Рис. 7. Изменение проводимости композита на основе 20 масс. % наночастиц СёЭ в матрице ПЭВД под действием УФ излучения (1-2), времени (2-3) и напряжения в 5 В (Е = 200 В/см) (3-4)

вушками. При приложении относительно слабого поля (примерно 200 В/см) нанокомпозит переходит в состояние 4.

Примером эффективности предложенного типа памяти может являться расчет активной поверхности хранения заряда которая, при концентрации наночастиц в полимере 1017 см'3 будет составлять для нанокомпозита порядка 105 см2, что существенно превышает значение для прямоугольного «плавающего» затвора полевого транзистора, используемого для хранения информации в флэш-памяти.

В заключении приведены основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• Оптический спектр поглощения полимерного композита на основе наночастиц Fe в матрице ПЭВД при комнатных температурах характеризуется широким пиком в диапазоне 800-1500 нм и рядом локальных пиков на нем. Локализованные пики наблюдаются при комнатной температуре и только при средних размерах наночастиц меньших 4 нм.

• Для полимерных композитов при комнатной температуре на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД в диапазоне оптических длин волн 590-900 нм имеет место закономерность изменения коэффициента поглощения от размера и массовой концентрации наночастиц. Согласно полученной закономерности, уменьшение размера наночастиц и (или) уменьшения их массовой концентрации в объеме ПЭВД приводит к увеличению коэффициента поглощения и его смещению в сторону коротких длин волн.

• Получена зависимость дисперсии и коэффициента поглощения для полимерных композитов на основе полупроводниковых наночастиц (оксида никеля и сульфида кадмия) от массовой концентрации их в матрице ПЭВД. Показано, что с ростом массовой концентрации наночастиц в объеме полимерных нанокомпозитов на основе полупроводниковых наночастиц показатель преломления и коэффициент поглощения увеличиваются.

• Полимерным композитам на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД присуща выпуклая функциональная зависимость коэффициента поглощения от температуры при нагреве (25-70 °С с максимумом при 55 °С) и охлаждении (70-55 °С) с образованием термооптического гистерезиса в интервале температур 55-70 °С при оптических длинах волн 650900 нм.

• Получена зависимость дисперсии металлосодержащих полимерных нанокомпозитов (Fe в матрице ПЭВД и Ag в матрице ПММА) в которых с увеличением массовой концентрации до 20 масс. % происходит уменьшение эффективного показателя преломления в видимом и ближнем ИК диапазоне оптических длин волн.

• Подтверждена устойчивость оптических характеристик полимерного нанокомпозита (ПММА + Ag) к многократному нагреву до 80 °С и последующему охлаждению.

• Нанесение толстой пленки (50-100 мкм) полимерного нанокомпозита на основе наночастиц Ag в матрице ПММА на солнечную батарею, состоящую из поликристаллического кремния, уменьшает отражение от ее поверхности оптического излучения в видимом и ближнем ИК диапазоне.

• Экспериментально получено увеличение фотогенерируемой мощности более чем на порядок относительно первоначального значения на солнечных батареях (состоящих из поликристаллического кремния) после нанесения просветляющей толстой плени (50-100 мкм), состоящей из метал-лосодержащего полимерного композита на основе 0.1-20 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА.

• На базе проведенных экспериментальных исследований показана возможность создания высокочувствительных фотопреобразователей (в т.ч. солнечных батарей) методом нанесения металлосодержащих нанокомпози-тов, а также разработан принцип построения бистабильной энергонезависимой памяти на KT, в основу которого положено изменение проводимости нанокомпозита от воздействия УФ излучением и возможностью сброса логического состояния после воздействия электрическим полем.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

I. Публикации в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Кульбацкий Д.М. Исследование оптических характеристик композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия, стабилизированных в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, Г.Ю. Юрков, В.Я. Подвигалкин // Оптика и спектроскопия. -2009. - Т. 106, №5. - С.780-784.

2. Кульбацкий Д.М. Влияние режима синтеза в неравномерной плазме СВЧ газового разряда на фундаментальные свойства наноразмерного пленочного кремния и его соединений / Д.М. Кульбацкий, Д.В. Нефедов, С.И. Семенов, Р.К. Яфаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2007. - Вып. 2, №4(29). - С. 121-129.

II. Публикации в центральных изданиях, по смежным специальностям, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ

3. Кульбацкий Д.М. Термооптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, В.Я. Подвигалкин // Письма в Журнал технической физики. - 2009. - Т. 35, вып. 13.-С.103-110.

III. Публикации в других изданиях

4. Ushakov N.M. Thermooptical properties of polymer nanocomposites based on cadmium sulfide in low density polyethylene / N.M. Ushakov, D.M. Kulbatsky, I.D. Kosobudsky and G.Yu. Yurkov // Proc. 17th International Symposium "Nanos-tructures: Physics and Technology". - Minsk, Belarus. - 2009. - P. 206-207.

5. Кульбацкий Д.М. Оптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфидов d-металлов на поверхности ультрадисперсного политетрафторэтилена объемно стабилизированного в различных инертных матрицах / Д.М. Кульбацкий, К.А. Разумов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: матер. IV конф. молодых ученых. - Саратов,- 2009.- С.59-61.

6. Kulbatsky D.M. Thermodielectric and frequency properties of polymer nanocomposites based on oxides and sulphides of transitional metals in low density polyethylene / D.M. Kulbatsky, A.N. Ul'zutuev, K.A. Razumov, N.M. Ushakov, I.D. Kosobudsky and G.Yu. Yurkov // Proc. 16th International Symposium «Nanos-tructures: Physics and Technology». - Vladivostok, Russia. - 2008. - P. 88-89.

7. Кульбацкий Д.М. Новый тип оптикоэлектрической энегонезависимой памяти на полимерных нанокомпозитных пленках / Д.М. Кульбацкий, А.Н. Ульзутуев, Н.М. Ушаков // 8 Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения». - Саратов, 2008. - С.147-151.

8. Кульбацкий Д.М. Новые оптические полимерные композиционные среды на основе наночастиц сульфидов переходных металлов, стабилизированных на поверхности ультрадисперсного политетрафторэтилена / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, Г.Ю. Юрков // Радиотехника и связь: сб. научных трудов. - Саратов: СГТУ, 2008. - С,309-312.

9. Кульбацкий Д.М. Современное состояние разработки акустооптических устройств измерения параметров сигналов / Р.А. Корнев, Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков // Радиотехника и связь: сб. научных трудов. - Саратов: СГТУ, 2008. - С.299-303.

10. Kul'batsky D.M. Thermo-optical properties of composites materials on the basis cadmium sulfide of nanoparticles stabilized in the matrix of polythene high pressure / D.M. Kul'batsky, N.M Ushakov // CAOL'2008: 4nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers. - Alushta: Crimea, Ukraine. - 2008.

11. Кульбацкий Д.М. Термооптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, Г.Ю. Юрков, Г.Ю. Разумов // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: материалы VIII международной научной конференции. - Кисловодск, 2008. - С.185-187.

12. Кульбацкий Д.М. Термооптические свойства композитных материалов на основе наночастиц оксидов металлов в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика: материалы III конф. молодых ученых. - Саратов, 2008. - С.84-87.

13. Кульбацкий Д.М. Исследование влияние размера и концентрации наночастиц сульфида кадмия, объемно стабилизированных в матрице полиэтилена низкой плотности, на фундаментальные оптические характеристики среды / Д.М. Кульбацкий, Н.М.Ушаков, И.Д. Кособудский , Г.Ю. Юрков, К.А. Разумов //

сб. материалов IX международного научно-технического конгресса термистов и металловедов. - Харьков: Украина, 2008.

14. Кульбацкий Д.М. Исследование влияние размера и концентрации наноча-стиц сульфида кадмия, объемно стабилизированных в матрице полиэтилена низкой плотности, на фундаментальные оптические характеристики среды / Д.М. Кульбацкий, Ушаков Н.М., Кособудский И.Д., Г.Ю. Юрков, К.А. Разумов II Современные проблемы науки о полимерах: Четвертая Санкт-Петербургская конференция молодых ученых с международным участием, посвященная шестидесятилетию Института высокомолекулярных соединений РАН. - С-П, 2008.

15. Кульбацкий Д.М. Новый тип энергонезависимой памяти на основе полимерных нанокомпозитных пленок / Д.М. Кульбацкий, А.Н. Ульзутуев, Н.М. Ушаков // Радиотехника и связь: сб. научных трудов. - Саратов: СГТУ, 2008. -С.259-262.

16. Кульбацкий Д.М. Дисперсия, поглощение и рассеивание света в полимерных сложных материалах, основанных на наночастицах CdS, стабилизированных в матрице полиэтилена низкой плотности / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, Г.Ю. Юрков, К.А. Разумов // Проблемы оптической физики: материалы 11-й Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Саратов, 2007. - С.83-88.

17. Кульбацкий Д.М. Поглощение и рассеяние оптических волн в полимерных нанокомпозитах в видимой и ближней ИК-области спектра // Наноэлекгроника, нанофотоника и нелинейная физика: матер. II конф. молодых ученых. - Саратов, 2007. -С.42-43.

18. Кульбацкий Д.М. Полимерные композиционные наноматериалы дая радиотехники и оптоэлектроиики / А.Н. Ульзутуев, Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, Г.Ю. Юрков // Электроника и Вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы. Вып. 2 / ФГУП «Научно-производственное предприятие «Контакт»»: матер, науч.-техн. конф. - Саратов: СГУ, 2007. - С.133-137.

19. Кульбацкий Д.М. Новые оптические полимерные композиционные среды на основе наночастиц оксидов и сульфидов переходных металлов, стабилизированных в матрице полиэтилена низкой плотности / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, Г.Ю. Юрков // Радиотехника и связь: матер. IV-ой Межд. Науч.-техн. конф. - Саратов, 2007. - С.321-325.

20. Кульбацкий Д.М. Поглощение и рассеяние света в полимерных композиционных наносредах на основе сульфидов переходных металлов, стабилизированных в объеме матрицы полиэтилена низкой плотности // Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: матер. VII межд. науч. конф. - Кисловодск, 2007. - С.60-61.

Подписано в печать 06.10.09 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 451 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН С ПОЛИМЕРНЫМИ НАНОКОМПОЗИТАМИ.

1.1 Особенности применения нанокомпозитов в оптоэлектронике.

1.2 Особенности строения и перспективы применения полимеров в качестве стабилизирующей матрицы.

1.3 Основы взаимодействия оптического излучения с полимерными нанокомпозитами.

1.4 Теория взаимодействия ЭМ излучения со случайно неоднородной оптической средой.

1.5 Теория переноса ЭМ излучения.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ.

2.1. Описание полимеров используемых в качестве стабилизирующих матриц.

2.2. Синтез полимерных порошковых композиций на основе стабилизации наночастиц переходных металлов, их оксидов и сульфидов в объеме ПЭВД и на поверхности УПТФЭ.

2.3. Методы исследования синтезированных композитов.

2.4. Технологические методы создания пленочных образцов с объемной стабилизацией наночастиц в матрице.

2.5. Экспериментальная установка и метод измерения оптических характеристик полимерных нанокомпозитов.

2.6. Выводы.

3.1. Железо содержащие нанокомпозиты объемно стабилизированные в матрице ПЭВД.

3.2. Никель содержащие нанокомпозиты объемно стабилизированные в матрице ПЭВД.

3.3. Серебро содержащие нанокомпозиты объемно стабилизированные в матрице ПММА.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В ВИДИМОЙ И БЛИЖНЕЙ ОБЛАСТИ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА, ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ СУЛЬФИДА КАДМИЯ И ЦИНКА.

4.1. Наночастицы сульфида кадмия в объеме матрице ПЭВД.

4.2. Наночастицы сульфида кадмия на поверхности УПТФЭ.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.

5.1. Просветляющие пленочные структуры на основе наночастиц серебра в матрице ПММА для фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.

5.2. Оптико-электронное устройство памяти на основе полиэтилена высокого давления с квантовыми точками.

5.3. Выводы.

Актуальность проблемы. В современной физике твердого тела широкое внимание уделяется исследованию объектов пониженной размерности, так как переход к приборам на наноструктурах перспективен с точки зрения увеличения быстродействия обработки информации, уменьшения затрат энергии в пересчете на одну логическую операцию, увеличения плотности хранимой информации, улучшения стабильности работы. Кроме этого, наноструктуры могут найти широкое применение в оптических приборах приема и обработки информации. Причиной этого является возможность создания материала с уникальными свойствами, существенно отличающегося от свойств существующих в макроскопическом (массивном) состоянии материалов. Примером может служить возможность изменения показателя преломления [1], создания светофильтров требуемого диапазона [2, 3], изменения края фундаментального оптического поглощения (эффект Бурштейна — Мосса [4]), создание запрещённые зоны для энергий фотонов (фотонные кристаллы [5]), а также получения различного рода динамических нелинейностей на основе квазичастиц [6, 7].

На величину проявляемых свойств нанокомпозита влияют не только размер и структура расположения входящих в него наночастиц металла или полупроводника - «квантовых точек» (КТ), но и материал стабилизирующей матрицы. По этой причине в настоящее время ведутся активные поиски различных сочетаний наночастица-стабилизирующая матрица, а также способа стабилизации, который давал бы максимальный эффект от присутствия наночастиц. На данный момент одним из новых и актуальных направлений решения такого рода задачи является стабилизация наночастиц в различных полимерных матрицах. По этой причине возрастает интерес к использованию органических нанокомпозитных материалов для построения различных устройств в наноэлектронике. Полимерные материалы или высокомолекулярные соединения являются важнейшим классом современных материалов, широко используемых в различных образцах техники, а также в быту. Они отличаются широкими возможностями регулирования состава, структуры и свойств. Основными достоинствами полимерных материалов являются: низкая стоимость, простота массового производства, малая энергоемкость методов получения и переработки, невысокая плотность, низкая теплопроводность, высокие оптические, радио- и электротехнические свойства, высокая стойкость к агрессивным средам, а также к ударным нагрузкам. [8]. Из этого следует, что полимеры представляют собой естественные низкоразмерные системы, достаточно технологические и относительно недорогие по сравнению с искусственно приготовленными неорганическими материалами, обладающие всеми необходимыми свойствами для стабилизации в них различных типов наночастиц. Поэтому в данной работе предлагается использовать именно полимерные нанокомпозиты как перспективный материал для создания устройств оптоэлектроники.

Целью диссертационной работы является установление закономерностей взаимодействия электромагнитных (ЭМ) волн в диапазоне 400-1600 нм с полимерными композитами на основе наночастиц металлов (Бе и Ag) и полупроводников (Сё8 и N10), стабилизированных в объеме матриц полиэтилена высокого давления (ПЭВД) и полиметилметакрилата (ПММА), а также на поверхности ультрадисперсных гранул политетрафторэтилена (УПТФЭ) при температурах в диапазоне 25-75 °С, а также разработка принципов построения новых оптоэлектронных устройств хранения данных и совершенствование фотоэлектрических преобразователей.

Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:

1. Разработка метода измерения и расчета оптических характеристик (коэффициента рассеяния и поглощения) полимерных нанокомпозитов с учетом возможного изменения температуры образца в диапазоне 25-75 °С в соответствии с выбранной двухпотоковой моделью Кубелки-Мунка.

2. Измерение спектра отражения, а также коллимированного и диффузного пропускания (в диапазоне 400-1600 нм), при различных значениях температуры (в диапазоне 25-75 °С) следующих полимерных нанокомпозитов: Бе, СёБ и N10 в объеме матрицы ПЭВД, Ag в объеме матрицы ПММА и наночастиц СёЭ + ZnS, стабилизированных на поверхности УПТФЭ и находящихся в объеме эпоксидно-диановой смолы.

3. Исследование оптических характеристик полимерных нанокомпозитов в зависимости от массовой концентрации и размера наночастиц при различных температурах.

4. Экспериментальное исследование возможности использования толстых пленок полимерных металлосодержащих нанокомпозитов (0.1-20 масс. % наночастиц в матрице ПММА) в качестве просветляющих покрытий для фотоэлементов, а также разработка методики и измерение увеличения фото-генерируемой мощности солнечных батареи.

5. Исследование зависимости изменения электрофизических характеристик полимерного композита на основе наночастиц СсШ в объеме матрицы ПЭВД под воздействием УФ-излучения, а также электрического поля. Разработка на основе экспериментальных данных принципа работы нового типа оптоэлектронной энергонезависимой памяти.

Научная новизна работы:

• Впервые применена двухпотоковая модель Кубелки-Мунка для исследования полимерных нанокомпозитов в видимой и ближней ИК-области, дающая возможность теоретического расчета двух независимых коэффициентов (поглощения и рассеяния), а также возможность оценки влияния каждого из них на оптическое ослабление излучения в объеме исследуемого материала.

• Получены закономерности влияния массовой концентрации (5-20 %) и размера наночастиц на оптические характеристики полимерных композитов на основе наночастиц СёБ в матрице ПЭВД при комнатной температуре.

• Впервые проведены исследования и получены новые закономерности термооптического поведения полимерных композитов на основе наночастиц Ag и Сс18 в матрице ПММА и ПЭВД соответственно в диапазоне температур 25-75 °С.

• Впервые проведены исследования просветляющих свойств толстых пленок (50-100 мкм), состоящих из металлосодержащего полимерного композита на основе 0.1-20 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА, на поверхности кремневых фотоэлементов. Показано, что после нанесения металлосодержащего полимерного покрытия происходит увеличение фотогенерируемой мощности солнечной батареи более чем на порядок относительно первоначального ее значения.

• Разработан принцип построения нового типа энергонезависимой оптоэлектронной памяти на квантовых точках (КТ) с возможностью записи лазерным лучом.

Научная и практическая значимость работы состоит том, что впервые исследованы основные оптические характеристики (поглощение, рассеяние и дисперсия) полимерных нанокомпозитных материалов в диапазоне 400-1600 нм в температурном интервале 25-75 °С; выявлены их особенности и закономерности, которые могут найти применение в реальных оптоэлектронных устройствах и их элементах. На основе полученных результатов измерений предложено использовать в качестве эффективных просветляющих покрытий толстые пленки (50-100 мкм) металлосодержащих нанокомпозитов. Преимущество таких покрытий по сравнению с просветляющими покрытиями на оптически согласующих пленках, заключается в относительной технологической простоте нанесения, высокой просветляющей способности (коэффициент прозрачности 95-98 %) при малой изрезанности спектральной характеристики. Результатом просветления является увеличение фотогенерируемой мощности солнечной батареи более чем на порядок.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке различных устройств оптоэлектроники, включая фотопреобразователи разного назначения, в т.ч. солнечные батареи, а также для создания нового оптоэлектронного типа энергонезависимой памяти на KT, имеющей большие перспективы к увеличению плотности хранимой информации.

Достоверность полученных научных результатов обусловлена строгостью применяемых математических теорий и воспроизводимостью экспериментальных результатов. Экспериментальные данные подтверждались независимыми исследованиями на двухлучевом спектрофотометре CARY 2415 производства фирмы VARIAN (USA), а также на прецизионном спектрофотометре Lambda 950.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Для полимерных композитов на основе наночастиц CdS в объеме матрицы ПЭВД в диапазоне оптических длин волн 590-900 нм имеет место закономерность изменения коэффициента поглощения от размера и массовой концентрацией наночастиц. Согласно полученной закономерности уменьшение размера наночастиц и (или) уменьшения их массовой концентрации в объеме ПЭВД приводит к увеличению коэффициента поглощения и его смещению в сторону коротких длин волн, при комнатной температуре.

2. Полимерным композитам на основе наночастиц СсЙ в объеме матрицы ПЭВД присуще наличие выпуклой функциональной зависимости коэффициента поглощения от температуры при нагреве (25-70 °С с максимумом при 55 °С) и охлаждении (70-55 °С) с образованием термооптического гистерезиса в интервале температур 55-70 °С при оптических длинах волн 650-900 нм.

3. Нанесение толстой пленки (50-100 мкм) полимерного композита с 0.115 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА увеличивает фотогенерируемую мощность солнечной батареи, состоящей из поликристаллического кремния, более чем на порядок относительно первоначального ее значения.

4. Разработан принцип построения нового типа оптоэлектронной энергонезависимой памяти на КТ для хранения и переноса цифровой информации на основе анализа экспериментальных данных по изменению электрофизических параметров полимерных нанокомпозитов после воздействия на них лазерным излучением, а также электрическим полем.

Личный вклад диссертанта и результаты, полученные с другими исследователями. Основные результаты диссертации получены автором лично. Постановка ряда задач, разработка методов их решения, объяснения и интерпретация результатов были осуществлены совместно с научным руководителем и другими соавторами научных работ, опубликованных соискателем.

Работа выполнена на филиале кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета при Саратовском филиале института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Гранты. Работа выполнялась при финансовой поддержке: Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ 06-08-01011), Министерства образования и науки РФ (грант РНП 2.1.1.8014 и РНП 2.1.1/575), а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.»).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на российских и международных конференциях: «Nanostructures: Physics and Technology» (Minsk, Belarus, 2009); «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2009); «Nanostructures: Physics and Technology» (Vladivostok, Russia, 2008); «Радиотехника и связь» (Саратов, 2008); 4-nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2008) (Alushta, Crimea, Ukraine); «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2008); «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2008); Международном научно-техническом конгрессе термистов и металловедов (Харьков, Украина, 2008); «Современные проблемы науки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2008); 11-й Международной молодежной научной школе по оптике, лазерной физике и биофизике (Саратов, 2007); «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2007); «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология» ФГУП «Научно-производственное предприятие «Контакт»» (Саратов, 2007); «Радиотехника и связь» (Саратов, 2007); «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2007).

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 20 ч печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 90 наименований. Объем работы составляет 195 страниц текста, включая 96 рисунков, 3 таблиц и 46 формул.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований полученные при выполнении данной диссертационной работы могут быть использованы при разработке различных устройств оптоэлектроники, включая фотопреобразователи разного назначения, в т.ч. солнечные батареи, а также для создания нового оптоэлектронного типа энергонезависимой памяти на КТ, имеющей большие перспективы к увеличению плотности хранимой информации по сравнению с Flash технологией.

СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ источников

1.Розенберг Г.В. Современное состояние теории оптических свойств полупрозрачных металлических покрытий / УФН. 1956. -Т. 58. -Вып. 3. -С. 487-518.

2. Эфрос Ал.Л., Эфрос А.Л. Межзонное поглощение в полупроводниковом шаре // Физика и техника полупроводников. 1982. -Т. 16. № 7. -С. 1209-1214.

3. Екимов А.И., Онущенко A.A. Размерное квантование энергетического спектра электронов в микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. 1984. -Т. 40. -Вып. 8. -С.337-340.

4. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: "Мир", 1976, -431 с

5. Голубев В.Г., Курдюков Д.А., Певцов А.Б. и др. Гистерезис фотонной зоны в фотонном кристалле V02 при фазовом переходе полупроводник-металл // ФТП. 2002. Т. 36. № 9. С. 1122-1127.

6. Кособукин В.А. Экситонные поляритоны и их одномерная локализация в неупорядоченных структурах с квантовыми ямами // физика твердого тела. 2003, -Т.45. -Вып. 12. -С. 1091-1177.

7. Shinada M., Sugano S. Interband Optical Transitions in Extremely Anisotropic Semiconductors. I. Bound and Unbound Exciton Absorption // J. Phys. Soc. Japan. -1966. -Vol. 21. -P. 1936-1946.

8. Казарновский Д.М., Яманов С.А. Радиотехнические материалы. -M.: "Высшая школа", 1972. -312 с.

9. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем // УФН. 2007. -Т. 177. -№6. -С. 619-638.

10. Марта нес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники // -М: Техносфера, -2007. -368 с.

11. Триботехническое материаловедение и триботехнология: учеб. пособие / Н.Е. Денисова, В.А. Шорин, И.Н. Гонтарь и др./ Под общей ред. Н.Е.Денисовой -Пенза: ПГУ, 2006. 2006. -248 с.

12. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников // -М.: Наука, -1978.

13. Лифшец И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. Электронная теория металлов // -М.: Наука, -1971.

14. Кузнецова И.А., Юшканов А.А., Хадчукаев P.P. Высокочастотная проводимость тонкой полупроводниковой цилиндрической проволоки при произвольной температуре // Физика и техника полупроводников, -2009. -Т. 43. -Вып. 5.

15. Duncan Andrew J., Mackay Tom G. On the Bergman-Milton bounds for the homogenization of dielectric composite materials // Optics Communications. -2007. -Vol. 271. -Issue 2. -P. 470-474.

16. Sipe J.E., Boyd Robert W. Nonlinear susceptibility of composite optical materials in the Maxwell Garnett model // Phys. Rev. A. -1992. -Vol. 46. -Issue 3 -P. 1614- 1629.

17. Kashkarov P.K., Golovan L.A., Fedotov A.B. et al. Photonic bandgap materials and birefringent layers based on anisotropically nanostructured silicon // J. Opt. Soc. Am. B. -Vol. 19. - Issue 9. -2002. -P. 2273-2281.

18. Polina O. Anikeeva, Jonathan E. Halpert, Moungi G. Bawendi, and Vladimir Bulovi Electroluminescence from a Mixed Red-Green-Blue Colloidal Quantum Dot Monolayer // Nano Lett., 2007, 7 (8), pp 2196-2200.

19. http://gizmod.ru/2007/04/ll/sony pokazyvaet novye fed-displei/

20. Шиповская А.Б., Кленин В.И., Сударушкин Ю.К. Реалогия полимерных систем: Учеб. пособие. // -Саратов: СГУ. -1999. -64 с.

21. Илюшин A.C., Простомолотова E.B. Основы физики полимеров // - М.: Физический факультет МГУ. -2005. -36 с.

22. Гольдфейн М.Д. Карнаухова Л.И. Основы физики синтетических и природных макромолекул: Учеб. пособие // -Саратов.: СГУ. -1998. -116 с.

23. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2197.html

24. Свирская С.Н., Трубников И.Л. Строение и классификация полимеров: Методическое пособие // -Ростов-на-Дону.: ЮФУ. -2007. -22 с.

25. Марихин В. А. Мясникова Л. П. Надмолекулярная структура полимеров. // Л. 1977.

26. Кособудский И.Д., Симаков В.В., Ушаков Н.М., Юрков Г.Ю. Физическая химия наноразмерных объектов: композиционные материалы // -Саратов: СГТУ, -2008. -230 с.

27. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях // -Саратов: СГУ, -1998. -384 с.

28. Ворох A.C., Ремпель A.A. Атомная структура наночастиц кадмия // Физика твердого тела, 2007. -Т. 49. Вып. 1,6 с.

29. Cheong Wai-Fung, Prahl Scott A., Welch Ashley J. A Review of the Optical Properties of Biological Tissues // IEEE journal of quantum electronics. -1990. -Vol. 26. -no. 12. -P. 1166-1185.

30. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок B.H. Физические явления в ультрадисперсных средах // -М.: Энергоатомиздат, 1984. -224 с.

31. Christensen N.E., Seraphin В.О. - phys. Rev., 1971, v. B4, p. 1715.

32. Розенберг Г.В. Абсорбционная спектроскопия диспергированный веществ // УФН, 1959. -Т.69. -Вып. 1. -С. 57-104.

33. Калитеевский М.А., Николоев В.В., Abram R.A. Статистика собственных состояний и оптические свойства одномерных разупорядоченных фотонных кристалов // ФТТ, 2005. -Т. 47. - Вып. 10. -С. 1871-1880.

34. Клюй Н.И., Литовченко В.Г., Лукьянов А.Н. и др. Влияние условий осаждения на просветляющие свойства алмазоподобных углеродных пленок для солнечных элементов на основе кремния // ЖТФ. 2006. -Т. 76. -Вып. 5.

35. Бьёркен Дж.Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория. Том 2: релятивистские квантовые поля // ИО НФМИ, 2000. -704 с.

36. Денисова H.A., Резвое A.B. О соотношениях Крамерса-кронига для спектрального коэффициента отражения слоистой диспергирующей среды // Вычислительные алгоритмы и методы, 1990. -Т. 2. -№6. С. 90-96.

37. Виноградов А.П. Электродинамика композитных сред. /Под ред. Б.З. КаценеленбаумаМ.: Эдиториал: УРСС, 2001.-208 с.

38. Иванов В.К. Электронные свойства металлических кластеров / Соросовский образовательный журнал, 1999. №8. -С. 97-102.

39. Литвинов О.С., Павлов К.Б., Горелик B.C. Электромагнитные волны и оптика: Физика в техническом университете том 4 / Под ред. Л.К. Мартинсона, А.Н. Морозова // МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

40. Курбацкий В.П., Погосов В.В. Низкочастотное оптическое поглощение малыми металлическими частицами / Письма в ЖЭТФ, 2000, -Т. 26, -Вып. 22.

41. Hippel A.R. von Dielectrics and Waves. Artech House, London, 1995.

42. Лоренц Г.А. Теория электронов и ее приложения. // -М.: Гостехизд., 1948.

43. Collin R.E. Field Theory of Guided Waves. IEEE Press, NY-Philad., 1991.

44. Василевский М.И., Паула A.M., Акинкина Е.И., Анда E.B. Влияние дисперсии размеров на оптическое поглощение системы полупроводниковых квантовых точек // Физика и техника полупроводников, 1998. -Т. 32, №11.

45. Желтиков A.M. Правила сложения групповых скоростей в нанокомпозитных материалах и фотонных кристаллах // ПЖТФ, -Т. 79. -Вып. 2. -С. 65-69.

46. Sedelnikova O.V., Gavrilov N.N., Bulusheva L.G., Okotrub A.V. Maxwell-Garnett description of permittivity of onion-like carbon - polystyrene composites // отправлена в Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics

47. Hayes W., Loudon R. Scattering of light by crystals (Wiley, N. Y., 1978).

48. Stratton J. Electromagnetic theory, McGraw Hill, New York, 1941 (перевод Стрэттон Д.А. Теория электромагнетизма пер. С англ. -М. -JT Гостехиздат, 1948).

49. Исимару А. Распространение и рассеивания волн в случайно неоднородных средах: В 2-х томах. // -М.: Мир, -1981. -Т. 1-2.

50. Кленин В.И., Щеголев С.Ю., Лаврушин В.И. Характеристические функции светорассеяния диспесных систем. Изд-во СГУ. Саратов, 1977. 176с.

51. Воробьева Е.А., Гуров И. П. Модели распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах // -М.: Медицина, 2006.-136 с.

52. Мешков В.З. Преобразование Радона: Учебно-методическое пособие. -Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. - 15 с.

53. Furutsu, К. Multiple scattering of waves in a medium of randomly distributed particles and derivation of the transport equation // Radio Sci., 1975. -Vol. 10. -Issuel. -P. 29-44.

54. Кочубей В.И., Башкатов A.H. Спектроскопия рассеивающих сред: Учеб. Пособие // -Саратов: «Новый ветер», 2008. -96 с.

55. Игнатьева Л.Н., Бузник В.М. ИК-спектроскопические исследования политетрафторэтилена и его модифицированных форм // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008. -Т. LII, № 3 -С. 139-146.

56. Пономарева К.Ю. Синтез и свойства наночастиц сульфида кадмия в полимерной матрице / К.Ю. Пономарева, И.Д. Кособудский, Е.В. Третьяченко и др. // Неорганические материалы. -2007. -Т. 50. - № 11. - С. 1350-1361.

57. Watson В. P., Leath P. L. Conductivity in the two dimensional problem. / Watson B. P., Leath P. L. // Phys. Rev. 1974. -Vol. B9.-P. 4893-4899.

58. Levinstein M. E. Critical indexes of conductivity in two dimensional percolation problems. // J. Phys.- 1977.- v. CIO.- pp. 1895-1900.

59. Перепелкин K.E. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1985. 208 с.

60. Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе // Л.: Химия, 1966. -768 с.

64. Кульбацкий Д.М. Исследование оптических характеристик композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия стабилизированных в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, Г.Ю. Юрков, В .Я. Подвигалкин // Оптика и спектроскопия. -2009. -Т. 106, №5. -С.780-784.

66. Шашлов А.Б., Уарова P.M., Чуркин А.В. Основы светотехники. -М.: МГУП, 2002.- 280 с.

67. Ушаков Н.М., Кочубей В.И., Запсис К.В. и др. Оптические свойства металлополимерных нанокомпозитов на основе железа и полиэтилена высокого давления // Оптика и спектроскопия. 2004. -Т. 96. № 5. -С. 868-873.

68. Казицина Л.А., Куплецкая Л.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. Уч. пособие для вузов. М.: Высш. школа. 1971. С. 264.

69. Закревский В.А., Пахотин В.А. Автоионизационный механизм разрыва химических связей в макромолекулах. // Высокомолекулярные соединения. -1981.-Т. 23. -№ 3. С. 658-662.

70. Бекман И.Н. Радиционная химия полимеров // http.V/profbeckman. narod.ru/RR0. files/L 135 .pdf

71.Azzoni С.В. Electron paramagnetic resonance response and magnetic interactions in ordered solid solutions of lithium nickel oxides / C.B. Azzoni, A. Paleari, V. Massarotti, D. Capsoni // J. Phys.: Condens. Matter 8. -1996. -P. 73397347.

72. Шаблаев С.И., Писарев P.B. Гигантское нелинейное поглощение а антиферромагнетике NiO // Физика твердого тела, 2003. -Т. 45, -Вып.9. -С. 1660-1663.

73. Агринская Н.В. Молекулярная электроника // http://edu.ioffe.rn/edu/ molecularel.html

74. http://omlc.ogi.edu/software/iad/

75. Кособукин В.А. Резонансное упругое рассеяние света квантовой ямой со статистически неровными границами / Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 2. -С.330-336.

76. Кособукин В.А., Селькин A.B. Упругое рассеяние света на флуктуациях экситонной поляризации квантовой ямы в микрорезонаторе // Физика твердого тела, 2000. -Т. 42. -Вып. 10. -С. 1863-1868.

77. Днепровский B.C. Экситоны перестали быть экзотическими квазичастицами / Соровский образовательный журнал, 2000. -Т. 6. №8 с. 88-92.

78. Оптические свойства экситонов в CdS пол у проводник-диэлектрик квантовых нитях/ С.А. Гаврилов [и др.] // Письма в ЖЭТФ, 1999. -Т. 70. Вып. 3.-С. 216-219.

79. Белявский В.И. Экситоны в низкоразмерных системах // Соровский образовательный журнал, 1997. №5 С. 93-99.

80. Ткач Н.В., Маханец A.M., Зегря Г.Г. Электроны, дырки и экситоны в сверх решетке цилиндрических квантовых точек с предельно слабой связью квазичастиц между слоями квантовых точек // ФТП, 2002. -Т. 36. -Вып. 5. -С. 543-549.

81. Кульбацкий Д.М. Термооптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфида кадмия в матрице полиэтилена высокого давления / Д.М. Кульбацкий, Н.М. Ушаков, И.Д. Кособудский, В.Я. Подвигалкин // Письма в ЖТФ. -2009. -Т. 35, вып. 13. -С.103-110.

82. Кульбацкий Д.М. Оптические свойства композитных материалов на основе наночастиц сульфидов d-металлов на поверхности ультрадисперсного политетрафторэтилена объемно стабилизированного в различных инертных матрицах / Д.М. Кульбацкий, К.А. Разумов // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика : Матер. IV конф. молодых ученых. -Саратов. -2009. -С.59-61.

83. Новое поколение солнечных батарей // http://aenergy.ru/513

84. Кульбацкий Д.М. Влияние режима синтеза в неравномерной плазме СВЧ газового разряда на фундаментальные свойства наноразмерного пленочного кремния и его соединений / Д.М. Кульбацкий, Д.В. Нефедов, С.И. Семенов, Р.К. Яфаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2007. -Вып. 2, №4(29). -С.121-129.

85. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. // - JL: Машиностроение, 1973 -224 с.

86. Гадомский О.Н., Алтунин К.К. Ушаков Н.М. Идеальное оптическое просветление композитных пленок, активированных сферическими наночастицами / ПЖТФ, 2009. -Т. 90, -Вып. 4. -С. 273-278.

87. Гадомский О.Н., Кадочкин А. С. Метаструктурные системы из активированных наношаров и оптические ближнепольные резонансы // Оптика и спектроскопия. 2005. -Т. 98, -Вып. 2, -С. 300-308.

88. Flash Memory Cells-An Overview. Paolo Pavan, Roberto Bez, Piero Olivo, and Enrico Zanoni, Proceedings of the IEEE, 1997. Vol. 85, No. 8, -P. 1248-1271.

89. Anand Lai Shimpi The SSD Anthology: Understanding SSDs and New Drives from OCZ // http://www.anandtech.com/storage/showdoc.aspx?i=3531&p=8&cp= l#comments

90. Кульбацкий Д.М. Новый тип оптикоэлектрической энегонезависимой памяти на полимерных нанокомпозитных пленках / Д.М. Кульбацкий, А.Н. Ульзутуев, Н.М. Ушаков // 8 Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2008. -Саратов. -С.147-151.

РОССИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

410052,г.Саратов,проспект 50 лет Октября, ] 01

Тел /факс (845 2) 57-28-53 Е-таП гсЬуо1^с1 @ Бал, ги

На № у/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование оптических спектров в диапазоне 400-1600 нм при различных температурах 25-80 °С следующих полимерных нанокомпозитов:

• На основе наночастиц металла (Бе) и полупроводников (СсШ и N10) в объеме стабилизирующей матрицы полиэтилена высокого давления.

• На основе наночастиц металла (Ag) в объеме стабилизирующей матрицы полиметилметакрилата.

• На основе наночастиц полупроводников (СёЭ + 7п8) на поверхности ультра дисперсных гранул политетрафторэтилена находящихся в объеме эпоксидно-диановой смолы.

Особенность данной диссертационной работы стало использование математической обработки экспериментальных данных на основе двух поточной модели Кубелки-Мунка, основанной на диффузном приближении теории переноса. Результатом данной математической обработки является разделение общих оптических потерь в объеме полимерного нанокомпозита на экстинкцию и рассеяние. В результате появилась возможность исследовать оптическое поглощение в отдельности от рассеяния оптического излучения вызванное неоднородность структуры полимера и наличия наночастиц. Проведенные исследования показали следующие основные результаты: • Оптический спектр поглощения полимерного композита на основе наночастиц Бе в матрице ПЭВД при комнатных температурах характеризуется широким пиком в диапазоне 800-1500 нм и рядом локальных пиков на нем. Локализованные пики наблюдаются при комнатной температуре и только при средних размерах наночастиц меньших 4 нм.

Для полимерных композитов при комнатной температуре на основе наночастиц СсШ в объеме матрицы ПЭВД в диапазоне оптических длин волн 590-900 нм имеет место закономерность изменения коэффициента поглощения от размера и массовой концентрации наночастиц. Согласно полученной закономерности, уменьшение размера наночастиц и (или) уменьшения их массовой концентрации в объеме ПЭВД приводит к увеличению коэффициента поглощения и его смещению в сторону коротких длин волн.

Получена зависимость дисперсии и коэффициента поглощения для полимерных композитов на основе полупроводниковых наночастиц (оксида никеля и сульфида кадмия) от массовой концентрации их в матрице ПЭВД. Показано, что с ростом массовой концентрации наночастиц в объеме полимерных нанокомпозитов на основе полупроводниковых наночастиц показатель преломления и коэффициент поглощения увеличиваются.

Полимерным композитам на основе наночастиц СёБ в объеме матрицы ПЭВД присуща выпуклая функциональная зависимость коэффициента поглощения от температуры при нагреве (25-70 °С с максимумом при 55 °С) и охлаждении (70-55 °С) с образованием термооптического гистерезиса в интервале температур 55-70 °С при оптических длинах волн 650-900 нм.

Получена зависимость дисперсии металлосодержащих полимерных нанокомпозитов (Бе в матрице ПЭВД и Ag в матрице ПММА) в которых с увеличением массовой концентрации до 20 масс. % происходит уменьшение эффективного показателя преломления в видимом и ближнем ИК диапазоне оптических длин волн.

• Подтверждена устойчивость оптических характеристик полимерного нанокомпозита (ПММА + Ag) к многократному нагреву до 80 °С и последующему охлаждению.

• Нанесение толстой пленки (50-100 мкм) полимерного нанокомпозита на основе наночастиц Ag в матрице ПММА на солнечную батарею, состоящую из поликристаллического кремния, уменьшает отражение от ее поверхности оптического излучения в видимом и ближнем ИК диапазоне.

• Экспериментально получено увеличение фотогенерируемой мощности более чем на порядок относительно первоначального значения на солнечных батареях (состоящих из поликристаллического кремния) после нанесения просветляющей толстой плени (50-100 мкм), состоящей из металлосодержащего полимерного композита на основе 0.1-20 масс. % наночастиц Ag в матрице ПММА. Преимущество такого покрытия по сравнению с просветляющими покрытиями на оптически согласующих пленках заключается в относительной технологической простоте нанесения (без высоких требований к толщине нанесения пленки).

• На базе проведенных экспериментальных исследований показана возможность создания высокочувствительных фотопреобразователей (в т.ч. солнечных батарей) методом нанесения металлосодержащих нанокомпозитов, а также разработан принцип построения бистабильной энергонезависимой памяти на КТ, в основу которого положено изменение проводимости нанокомпозита от воздействия УФ излучением и возможностью сброса логического состояния после воздействия электрическим полем.