Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ МЕДИ В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРАХ

Югова И.С. 1 Кузнецов А.В. 1
1 Томский политехнический университет
В процессе выполнения данной работы был проведен сравнительный анализ свойств меди в нано- и микроструктурах. Изучение свойств меди было проведено путем обзора литературных источников. Были рассмотрены следующие свойства: температуры плавления и кипения, плотность и удельное электрическое сопротивление. В результате сравнения установлено, что данные свойства у нано- и микроструктур у меди имеют некоторые различия, но незначительные. Для того, чтобы определить, какие размерные эффекты влияют на различия свойств меди в нано- и микроструктурах, рассчитана длина волны де-Бройля, затем проведено сравнение получившегося значения с размером частицы в наноструктуре. В результате, было установлено, что измерения объясняются классическими размерными эффектами. Также проанализированы сферы применения наночастиц меди.
поверхность Ферми
наноструктура
размерный эффект.
1. Алипов В.В., Добрейкин Е.А., Урусова А.И., Беляев П.А. Результаты сочетанного применения наночастиц меди и низкоинтенсивного лазерного облучения при инфицированных ожоговых ранах кожи в хирургическом эксперименте // Фундаментальные исследования. – 2013. - №9. – С. 572-576.
2. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов: справочник. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Металлургия, 1987. – 208 с.
3. Компания по производству и продаже чистых химических веществ «Sigma-Aldrich» [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/774103?lang=en®ion=RU/
4. Крэкнелл А., Уонг К. Поверхность Ферми. – пер. с англ. – М.: Атомиздат, 1978. – 352 с.
5. Майер А.Е. О возможности использования ускоренных электрическим полем наночастиц для нанесения покрытий и модификации поверхностного слоя металлов // Вестник ЧелГУ. – 2013.- №25 (316). – С. 52-56.
6. Попов Ю.В., Мохов В.М., Небыков Д.Н., Будко И.И. Наноразмерные частицы в катализе: получение и использование в реакциях гидрирования и восстановления (обзор) // Известия ВолгГТУ. – 2014. - №7 (134). – С. 5-44.
7. Портал российской национальной нанотехнологической сети [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.rusnanonet.ru/goods/31895/
8. Учебно-научный центр ОИЯИ [Электр. ресурс]. – http://newuc.jinr.ru/img_sections/file/Aspirant/Belushkin/%204%20for%20pdf.pdf/
9. Энциклопедия физики и техники [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://femto.com.ua/articles/part_2/4299.html/
10. US Research Nanomaterials, Inc [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.us-nano.com/inc/sdetail/160/

Введение. Наночастицы начали исследоваться относительно недавно – 15-20 лет назад. Наиболее активно это направление стало развиваться в 90-е годы прошлого века. В это время состоялись первые международные конференции по наноматериалам и появились первые специализированные научные журналы. Сейчас разделы, связанные с нанотехнологиями, входят в программы многих отечественных и международных конгрессов и конференций как самостоятельные части.

Анализ свойств меди в микро- и наноструктурах. Медь имеет прямую гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку с периодом a = 0,3615 нм [2] и обратную объемноцентрированную кубическую (ОЦК) с периодом a* = 17,3809 нм (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структура кристалла меди: а) прямая ГЦК решетка, б) обратная ОЦК решетка

На рисунке 2 представлена топология поверхности Ферми для меди. Поверхность Ферми представляет собой наглядную иллюстрацию поведения электронов в металлах и позволяет объяснить основные свойства какого-либо металла. Например, формой поверхности Ферми определяются такие свойства металлов, как блеск, ковкость, тепло- и электропроводность [8].

Рисунок 2 – а) поверхность Ферми для меди, б) сечение поверхности плоскостью [9]

По рисунку видно что, поверхность Ферми находится внутри зоны Бриллюэна (рисунок 2, а) и она имеет открытые направления (рисунок 2, б) при сечении поверхности Ферми плоскостью [110]. Форма поверхности Ферми меди была определена с помощью аномального скин-эффекта. Позже она была подтверждена с помощью эффекта де Гааза-ван Альфена по исследованию магнитосопротивления [4].

В таблице 1 представлены свойства меди в микро- и наноструктурах (по литературным данным [2,3,7]).

Таблица 1 – Свойства в микро- и наноструктурах

Свойства

Микроструктура

Наноструктура

Температура плавления, ºC

1084

1083

Плотность, г/см3

8,9

5

Удельное электрическое сопротивление, мкОм∙м

0,0178

0,0167

Температура кипения, ºC

2540

2567

Размер частицы

-

40-80 нм

По данным таблицы видно, что температура плавления для микро- и наноструктуры не отличается; удельное сопротивление меняется незначительно; плотность уменьшается в 1,8 раза.

Для определения вклада в изменение свойств размерных эффектов необходимо рассчитать длину волны де Бройля или длину свободного пробега и сравнить полученное значение с размером наночастиц меди.

Формула для расчета:

, (1)

где h = 6,63·10-34 Дж·с – постоянная Планка, m = 9,11·10-31 кг – масса электрона, υ = 106 м/с – скорость электрона.

В результате расчета получается, что λ = 0,7 нм, поскольку данное значение много меньше размера наночастицы, основное влияние на изменение свойств меди в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты. Одной из причин размерных эффектов является большая доля приповерхностных атомов, которая возникает вследствие ненасыщенности атомных связей у поверхности, искажения решетки у поверхности, тонких физических эффектов взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Наноструктура меди представляет собой совокупность мелких твердых частиц – порошок. На рисунке 3 представлен вид этих частиц.

Рисунок 3 – Наночастицы меди [10]

Получение. Получить наночастицы меди можно при γ-радиолизе водных растворов KCu(CN)2 в присутствии спиртов в качестве акцепторов гидроксильных радикалов; с помощью пиролиза, когда происходит разложение вещества с образованием наночастиц при нагреве до определенной температуры [6].

Применение. Наночастицы меди находят применение в химической, авиационной, машиностроительной, автомобильной, приборостроительной, электронной и др. отраслей промышленности:

  • в качестве катализаторов в некоторых реакциях;
  • для покрытий поверхностных контактов электронной промышленности;
  • для лечения ожоговых ран;
  • улучшение качества порошковых сталей и шинных резин;
  • в производстве металлических изделий, красок специального назначения и строительных материалов [1,5-7,10].

Заключение. Проведен сравнительный анализ свойств меди в микро- и наноструктурах. В процессе анализа литературных источников было обнаружено, что свойства наноструктуры меди отличаются от микроструктуры, но незначительно. Показано, что основное влияние на изменение свойств меди в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты.


Библиографическая ссылка

Югова И.С., Кузнецов А.В. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ МЕДИ В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 6. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14281 (дата обращения: 20.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074