Спросить
Войти
Категория: Нанотехнологии

СТРУКТУРА, ДИНАМИКА РЕШЕТКИ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ В ОГРАНИЧЕННОЙ ГЕОМЕТРИИ

Автор: Набережнов А.А.

УДК 538.975

А.А. Набережное, П.П. Паршин, [А.Е. Совестнов

СТРУКТУРА, ДИНАМИКА РЕШЕТКИ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

В ОГРАНИЧЕННОЙ ГЕОМЕТРИИ

В работе рассматривается влияние условий ограниченной геометрии на кристаллическую структуру, спектр тепловых колебаний атомов и изменение состояния электронных оболочек для нанокомпозитных материалов на основе нанопористых матриц, содержащих внедренные в поры частицы металлов.

RUCTURE, LATTICE DYNAMICS AND ELECTRONIC PROPERTIES OF METALS

IN A RESTRICTED GEOMETRY

This contribution is devoted to studies of effect of restricted geometry on crystal structure, atomic thermal vibrations and properties of electronic shells of na-noporous matrices with metals embedded into the pores.

Работы выполнены в рамках гос. задания Министерства образования и науки РФ (проект 3.1150.2017/4.6).

Введение

За последние годы получены многочисленные экспериментальные и теоретические подтверждения, что при переходе от макроскопического к наноскопическому масштабу следует ожидать значительного изменения наблюдаемых физических свойств материалов. Так, например, ранее было показано, что условия ограниченной геометрии могут приводить к образованию новых, ранее неизвестных кристаллических фаз галлия [1]. Для наночастиц ниобия был обнаружен переход из ОЦК в ГЦК-структуру при достижении размера наночастиц ~ 5 нм [2]. Также установлено [3], что для наночастиц индия при кристаллизации из газовой фазы наблюдается размерно-индуцированный переход: частицы с размером менее 7 нм имеют кубическую решетку, а с большим размером - тетрагональную. В то же время данные о динамике решетки и о состоянии электронной подсистемы практически отсутствуют. В этой работе рассматриваются структура и свойства наночастиц ряда легкоплавких металлов (Нр, 1п, Sn, РЬ), а также РН, полученных при введении металлов в пористые боросиликатные стекла.

Результаты

Исследования проводились методами упругого и неупругого рассеяния нейтронов, дифракции синхротронного и рентгеновского излучения, а также неупругого ядерного поглощения синхротрон-ного излучения. В качестве пористых матриц использовались пористые боросиликатные стекла со

144

Вестник АмГУ

Выпуск 79, 2017

средним диаметром пор 7±1 им (PG7). Анализ дифракционных спектров показал, что для Hg, Sn, Pd и Pb в PG7 кристаллическая структура соответствует массивным материалам. Характерный размер на-ночастиц Hg составлял 7±0.5 нм, для Sn 11.2 ± 1.7 нм, а свинец формирует анизотропные наночасти-цы 15(1) нм вдоль [111] и 11(0.5) для остальных направлений. Более интересная ситуация наблюдалась для наночастиц индия в PG7 (рис. 1). Детальный анализ формы линии упругих отражений показал, что в этом случае мы имеем сосуществование двух кристаллических структур: тетрагональной, характерной для массивного In, и кубической, наблюдаемой только для ультрамалых наночастиц, полученных при кристаллизации из газовой фазы [3]. Размеры наночастиц индия в PG7 составляют ~15 нм вдоль направления [111] и ~11 нм в других направлениях. Для размера нанокристаллитов Pd была получена оценка ~ 10 нм.

Исследование спектров неупругого рассеяния на наночастицах Pb и Sn PG7 показало, что эти спектры уширены в сторону как низких, так и высоких энергий. Увеличение плотности фононных состояний в области низких энергий для наночастиц свинца и олова связано с поверхностными атомами, для которых координационное число значительно отличается от внутренних атомов наночастиц, а в области высоких энергий обусловлено взаимодействием с самой матрицей. На границе на-ночастица - матрица для атомов олова (или свинца) образуются силовые связи с атомами кремния и кислорода. Это приводит к тому, что тяжелым атомам металлов «навязываются» не характерные для них более высокие частоты колебаний. Также возможен и второй вклад в эту область энергий, связанный с появлением пространственно-ограниченных мод колебаний, возникающих в пределах самих границ соседствующих наночастиц. Разработана качественная модель строения данных [4, 5] НКМ, оценен вклад в спектр возбуждений от атомов на поверхности и в интерфейсном слое, и показано, что для олова в интерфейсном слое наблюдается сильное подавление вклада оптических фононов (рис. 2). Полученные спектры плотности фононных состояний хорошо соответствуют результатам численного моделирования для аналогичных систем и экспериментальным результатам, полученным для наночастиц других металлов [6-9].

Риа 1. Дифракционные спектры для рж. 2. Спектры тепловых колебаний

массивного (1) и наночастиц (2) индия. атомов Sn в поверхностном и интерНа вставке - область отражений (°°2) фейсном слоях (1 - белые точки) и

и (110) в увеличенном масштабе. внутренних атомов ядра наночастицы

(2 - черные точки).

Для наночастиц Pd и In в PG7 получены величины сдвигов рентгеновских Kai линий AEa1=19 ± 2 meV и. 11±2 meV соответственно. Для наночастиц Pb статистически обеспеченного сдвига не обнаружено.

Заключение

Показано, что наночастнцы металлов в PG7, за исключением Hg (которая не смачивает стекло), образуют дендритные структуры с дифракционным размером несколько большем, чем средний диаметр пор. Обнаружено сильное подавление оптических мод для Sn+PG7 в интерфейсном слое. Показано, что плотность фононных состояний наночастиц свинца и олова увеличивается как в области как низких, так и высоких энергий. Эти эффекты связаны с нарушением симметрии на поверхности и со взаимодействием с самой матрицей. Определены величины сдвигов рентгеновских Ка1 линий для наночастиц In и Pd.

1. Lee, M.K., Tien, C., Charnaya, E.V., Sheu, H.-S., Kumzerov, Y.A. Structural variations in nanosized confined gallium // Phys. Lett. A. - 2010. - V. 374. - P. 1570-1573.
2. Chattopadhyay, P.P., Nambissan, P.M.G., Pabi, S.K., Manna, I. Polymorphic bcc to fcc transformation of nano-crystalline niobium studied by positron annihilation // Phys. Rev. B. - 2001. - V. 63. - P. 054107 (7p.).
3 Balamurugan, B., Kruis, F.E., Shivaprasad, S.M., Dmitrieva, O., Zahres, H. Size-induced stability and structural transition in monodispersed indium nanoparticles // Appl. Phys. Lett. - 2005. - V. 86. - P. 083102 (3p).
4. Паршин, П.П, Землянов, М.Г, Панова, Г.Х., Шиков, А.А., Набережное, А.А., Кумзеров, Ю.А., Голосов-ский, И.В., Иванов, А.С. Особенности атомной динамики свинца, внедренного в нанометровые поры стекла // ЖЭТФ. - 2010. - Т. 138, № 6. - С. 1127-1134.
5. Паршин, П.П., Землянов, М.Г., Панова, Г.Х., Шиков, А.А., Кумзеров, Ю.А., Набережнов, А.А., Сергеев, И., Crichton, W., Чумаков, А.И., Ruffer, R. Атомная динамика нанометровых частиц олова, внедренного в пористое стекло // ЖЭТФ. - 2012. - Т. 141, № 3. - С. 502-514.
6. Derlet, P.M., Meyer, R., Lewis, L.J., Stuhr, U., Van Swygenhoven, H. Low-frequency vibrational properties of nanocrystalline materials // Phys. Rev. Lett. - 2001. - V. 87, № 20. - P. 205501-205501 (4p.).
7. Kara, A., Rahman, T.S. Vibrational Properties of metallic nanocrystals // Phys. Rev. Lett. - 1998. - V. 81, № 7. - P. 1453-1456.
8. Meyer, R., Prakash, S., P. Entel P. Capillary pressure and phonons in Ag, Au, Cu and Ni nanoparticles // Phase Trans. - 2002. - V. 75, № 1-2. - P. 51-58.
9. Derlet, P.M., Van Swygenhoven, H. High-frequency vibrational properties of metallic nanocrystalline grain boundaries // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 92, № 3. - P. 035505 (4p.).

УДК 621.3383.52 / 621.327.2

Н.Г. Галкин

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ КРЕМНИЕВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ

С ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ НА 1.5 МКМ

Рассмотрены основные подходы к реализации гибридных (ГЭФ ИС) и монолитных (МЭФ ИС) электрон-фотонных интегральных микросхем с оптической связью на основе кремниевых подложек и показаны основные достижения в этих направлениях. Развиты основы кремний-силицидного подхода для создания кремниевых МЭФ ИС с оптической связью на длине волны 1.5 мкм. Показано, что возможно использовать одну и ту же р4-п диодную структуру с активным слоем из встроенных нанокристаллов (НК) p-FeSi2 с минимальной толщиной кремниевых прослоек в ислое в качестве светодиода (СД), фотодиода (ФД) и оптического модулятора при их работе при разных значениях прямого и обратных смещений.

ОГРАНИЧЕННАЯ ГЕОМЕТРИЯ restricted geometry ПОРИСТЫЕ МАТРИЦЫ porous matrices НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛОВ metal nanoparticles ДИНАМИКА РЕШЕТКИ lattice dynamics КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА crystal structure
Другие работы в данной теме:
Стать экспертом Правила
Контакты
Обратная связь
support@yaznanie.ru
ЯЗнание
Общая информация
Для новых пользователей
Для новых экспертов