Рентгенографические исследования и построение моделей структуры ряда углеродных материалов (стр. 1 )

На правах рукописи

       

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРЫ РЯДА УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Петрозаводск - 2011

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН

кандидат физико-математических наук,

Институт геологии КарНЦ РАН

Ведущая организация:

Физический факультет Московского государственного университета

им.

Защита состоится "01"  апреля  2011 г.  в  14.30  на заседании диссертационного совета ДМ212.190.06 в Петроза­водском государственном университете Петроза­водск, пр. Ленина, д. 33, ПетрГУ, физико-технический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета

Автореферат разослан "  28  "  февраля  2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, 

доктор физико-математических наук                

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Открытие новых аллотропных модификаций углерода стимулировало рост интереса к углеродным материалам, таким как шунгит, антрацит, стеклоуглерод, фуллерены и нанотрубки, зарождающиеся в результате процессов самоорганизации при распылении графита или при воздействии на матрицу аморфного углерода пучком электронов.

Углеродные материалы различного происхождения (природные и синтезированные) находят широкое применение в современных высоких технологиях в различных областях электротехники, приборостроения, атомной и космической промышленности. Наличие примесей, неоднородностей в углеродных материалах сказывается на изменении структуры и, как следствие, на изменении физико-химических свойств. Поэтому важным моментом является определение их структурных особенностей, степени упорядоченности и однородности.

Углерод оказался одним из первых материалов, из которого были получены разнообразные нанокристаллические объекты. Богатую информацию об этих объектах дают метод электронной микроскопии высокого разрешения, дифракция электронов, различные спектроскопические методы. Однако важнейшим методом установления атомной структуры остается рентгеновский дифракционный метод [1]. Рентгенография позволяет установить не только такие характеристики нанокристаллов, как размер кристаллических блоков, степень искажения кристаллической структуры, но и способы стыковки кристаллических блоков, т. е. собственно наноструктуру [1].

Многие углеродные материалы как природного, так и синтезированного происхождения характеризуются диффузными картинами рассеяния. Применение методов компьютерного построения моделей позволяет воссоздать пространственное расположение атомов углерода в области ближнего упорядочения. Критерием достоверности построенных моделей должно быть совпадение не только рассчитанных для них характеристик ближнего порядка с таковыми, полученными из эксперимента, но и минимально возможное расхождение интерференционных картин рассеяния.

Результаты исследований структуры углеродных материалов рентгенографическими методами с применением методов компьютерного моделирования, с одной стороны, вносят вклад в развитие физики твердого тела, физики некристаллических и наноразмерных материалов и кристаллографии, с другой, стимулируют появление новых технологических разработок: изобретение совершенно новых и усовершенствование уже имеющихся методов получения фуллеренов, нанотканей и принципиально новых углеродных композитов и внедрение их в различные области промышленности и медицины.

Целью работы являлись рентгенографические исследования аморфных, наноструктурных и нанопористых углеродных материалов, определение характеристик ближнего порядка и компьютерное построение моделей атомной структуры аморфных и наноструктурных систем, а также расчет структурных характеристик кристаллических наномолекулярных углеродных материалов.

В рамках указанной цели решались следующие задачи:

1. Проведение рентгенографических исследований углеродных материалов различного происхождения.

2. Расчет характеристик ближнего порядка аморфных и наноструктурных углеродных материалов и построение атомных моделей областей ближнего упорядочения.

3. Рентгенографические исследования углеродных нанотканей, полученных с использованием различных типов катализаторов.

4. Анализ диффузного фона и полнопрофильный анализ рентгенограмм фуллеритов С60 и С70.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

– проведены систематические рентгенографические исследования большого класса углеродных материалов различного происхождения как кристаллических, так и аморфных;

– методом компьютерного моделирования построены атомные конфигурации в области ближнего упорядочения исследованных аморфных углеродных материалов и показано, что особенности кривых рассеяния каждого материала связаны с размерами, разориентировкой и степенью искаженности и дефектности углеродных слоев;

– показано, что при получении углеродных нанотканей в присутствии катализатора в углеродной матрице образуются включения материала катализатора, причем фазовый состав включений зависит как от материала катализатора, так и от условий получения;

– установлено, что при изготовлении углеродных нанотканей в присутствии катализатора из нихрома и при нанесении платиновой кислоты непосредственно на графитовый электрод, происходит образование однослойных углеродных нанотрубок;

– уточнена атомная структура фуллеритов С60 и С70.

– показано, что диффузный фон на рентгенограмме фуллерита С60 обусловлен конфигурациями атомов углерода, ближний порядок в которых соответствует расположению атомов в гексагональном алмазе, а диффузный фон на рентгенограмме фуллерита С70 соответствует картине рассеяния хаотически разориентированными одиночными фуллеренами;

Научно-практическая значимость работы заключается в получении новых знаний о структурном состоянии природных и синтезированных углеродных материалов на атомном уровне; именно внутренняя структура является причиной широкого разнообразия физико-химических свойств углерод-углеродных нанокомпозитов и наномолекулярных форм углерода.

Синтез углеродных наноматериалов и их нанокомпозитов с металлами протекает, как правило, в присутствии либо с участием катализатора. Накопление знаний о внедрении катализатора в структуру углеродных материалов, а также о взаимодействии катализаторов между собой и влиянии их на атомную структуру углеродной составляющей нанотканей  позволит оптимизировать процесс синтеза и получать материалы с заданными характеристиками.

Результаты исследования структуры нанопористых углеродных материалов, полученных из карбидов кремния и титана, показали, что атомы металла могут встраиваться в углеродную сетку, то есть нельзя контролировать состав только по отсутствию на рентгенограммах линий карбидов.

Положения, выносимые на защиту

1. Количественные характеристики ближнего порядка природных и синтезированных аморфных углеродных материалов.

2. Атомные модели областей ближнего упорядочения исследованных аморфных углеродных материалов.

3. Результаты анализа структуры углеродных нанотканей, полученных в присутствии различных катализаторов.

4. Структурные характеристики и особенности образцов фуллеритов С60, С70.

Апробация работы

Все основные результаты и выводы, изложенные в диссертации, докладывались на научных семинарах кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета, на XIX Conference on applied crystallography (Краков, Польша, 2003г.), на 12 (Новосибирск, 2006), 13 (Ростов-на-Дону – Таганрог, 2007г.) и 14-ой (Уфа, 2008)  Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, на Шестой Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2007г.), на 16-м международном совещании «Кристаллохимия и рентгенография минералов (Миасс, 2007г.), на 12-й школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и 2-й школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований» (Звенигород, 2008г.), РСНЭ-НБИК, на 7-й «Курчатовской молодежной научной школе» (Москва, 2009г.).

Публикации

По результатам работы опубликовано три статьи в журналах из списка ВАК и тезисы одиннадцати докладов на международных и всероссийских конференциях и семинарах, список которых приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора

Все основные результаты работы получены лично диссертантом. Вклад диссертанта в работу является определяющим.

Структура и объем работы

Содержание работы изложено на 167 страницах, включающих 158 страниц основного текста, 113 рисунков, 32 таблицы. Текст состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержащего 93 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Во введении рассматривается актуальность тематики, формулируются и обосновываются цели и задачи работы, излагаются основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы, приводится краткое содержание работы.

Первая глава является обзором литературных данных, имеющихся по данной тематике в настоящее время. Она состоит из четырех параграфов.

В разделе 1.1 рассматриваются результаты рентгенографических исследований и моделирования структуры углеродных материалов природного происхождения (шунгита и антрацита) и стеклоуглерода,  синтезированного при различных условиях.

В разделе 1.2 проведен анализ результатов исследования и компьютерного моделирования структуры нанопористого углерода, полученного из карбидов металлов, полифурфурилового спирта и сахарозы.