Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование новых кристаллических, аморфных и наноструктурированных материалов для сцинтилляционных и люминесцентных преобразователей, сенсоров и других применений»
жүктеу/скачать 4,61 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Введение
- Модель эффективной среды
Обозначения и сокращенияНРЧ – наноразмерная частица НЧ – наночастица МОС – металлоорганические соединения ОМ – опаловая матрица ОУМ – олигоуретанметакрилат ПЖК – пар-жидкость-кристалл ПЗЛМ – перенос заряда с лиганда на металл ПК – пористый кремний ПР – плазмонный резонанс РЗИ – редкоземельный ион РФА – рентгено-фазовый анализ СВЧ – сверхвысокие частоты ск – сверхкритический СКФ – сверхкритическая флюидная СТС – сверхтонкая структура УФ – ультрафиолет ФАП – фторакрилатные полимеры ФЛ – фотолюминесценция ФП – фторполимер ЭВ – электронное возбуждение ЭПР – электронный парамагнитный резонанс bta – 4,4,4-трифтор-1-фенилбутан-1,3-дион c – дефекты различных типов c-Si – кристаллический кремний DFT – теория функционала плотности e – электрон ex – экситон fod – 6,6,7,7,8,8,8-гептафтор-2,2-диметил-3,5-октандион h – дырка nc-Si – нанокристаллы кремния S – синглетный STE – автолокализованный экситон (Self-Trapped Exciton) STH – автолокализованная дырка (Self-Trapped Hole) T – триплетный tta – 1-теноил-4,4,4-трифторбутан-1,3-дион V – вакансия
Исследование процессов передачи энергии в сцинтилляторах, используемым в составе детекторов для позитрон-эмиссионной томографии и регистрации новых физических явлений, в частности, иттербий-содержащих сцинтилляторов с люминесценцией из состояний с переносом заряда; Определение особенностей процессов преобразования энергии ионизирующего излучения (частиц) в световое излучение в оксидных ионно-ковалентных диэлектрических кристаллах молибдатов, которые являются новыми материалами для создания криогенных фонон - сцинтилляционных детекторов редких событий; Разработка методов управления физико-химическими свойствами прозрачных полимерных материалов путем их модификации с помощью метода сверхкритической флюидной импрегнации и последующего УФ облучения; Проведение исследований механизмов формирования металлических наночастиц с определёнными параметрами, а также периодических структур из них, в прозрачных диэлектриках, которые могут найти применение при создании сенсорных и других устройств для медицины и биологии; Построение теории, объясняющей непропорциональность выхода люминесценции сцинтилляторов, и определение связи особенностей электронной структуры с предельным энергетическим разрешением сцинтилляторов; Исследование процессов при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения в области от ИК до мягкого рентгена с диэлектрическими кристаллами; Исследование перколяционного механизма формирования наноматериалов при лазерной абляции многокомпонентных мишеней, определение параметров полученных структур и исследование их оптических, транспортных и других физических свойств, с целью направленного изменения параметров и свойств получаемых наноматериалов, разработки методик их исследования и практического применения. Выполнение НИР должно обеспечивать достижение научных результатов мирового уровня, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирование эффективных и жизнеспособных научных коллективов. На первом этапе должны были быть рассмотрены следующие вопросы: Анализ данных по спектрально-кинетическим исследованиям люминесценции в мелкодисперсных системах с нанометровыми размерами кристаллитов. Анализ моделей взаимодействия элементарных возбуждений при интенсивном фемтосекундном возбуждении диэлектрических кристаллов в области фундаментального поглощения. Анализ феноменологических моделей, объясняющих непропорциональность энергетического выхода сцинтилляторов. Анализ литературных данных о природе центров собственной люминесценции в различных молибдатах. Анализ различных методов изготовления фрактальных наноматериалов при лазерной абляции многокомпонентных мишеней. Анализ методов импрегнации металлоорганических соединений меди и серебра в нанопористые матрицы. Анализ спектроскопических исследований по вхождению различных МОС во фторсодержащие полимеры в зависимости от типа лиганда. Анализ механизмов образования наночастиц серебра в полимерах. Эти вопросы рассмотрены в приведенных далее разделах. Анализ данных по спектрально-кинетическим исследованиям люминесценции в мелкодисперсных системах с нанометровыми размерами кристаллитовВведениеВ рамках проекта предполагается исследовать весьма разнообразные мелкодисперсные системы, такие как наноразмерные порошки Y2O3-Yb, оксидные и фторидные нанокерамики Y3Al5O12 и АF2, где A = Ca, Sr, Ba, а также ансамбли нанокластеров Si в матрицах SiO2, полученные температурной обработкой как сверхрешеток SiO/SiO2, так и слоев SiOx. Несмотря на существенные различия перечисленных материалов, их объединяет то, что они представляют собой среды с пространственно-неоднородной диэлектрической проницаемостью. В связи с необходимостью количественного исследования таких систем, в разделах 1.2 и 1.3 рассматриваются различные подходы к описанию оптических свойств таких мелкодисперсных сред, в частности, модель эффективной среды и модель Кубелки-Мунка. Подробно анализируются модификации спектров люминесценции и спектров возбуждения люминесценции светорассеивающих сред на основе модели Кубелки-Мунка. В разделе 1.4 рассматриваются оптические свойства нанокластеров Si в матрицах SiO2. Модель эффективной средыВажную роль при описании оптических свойств нанокомпозитных сред играет так называемая модель эффективной среды. Суть этой модели состоит в предположении, что ансамбль нанокластеров можно рассматривать как некую новую среду с эффективной диэлектрической проницаемостью [1]. Как правило, в модели эффективной среды для оптических задач пользуются электростатическим приближением, условием которого является малость как размера наночастицы, так и расстояния между ними (размера пор в случае пористых сред) по сравнению с длиной оптической волны в среде [1-2]. Одними из самых старых, но, тем не менее, наиболее широко применяемых моделей эффективной среды являются модели Максвелла-Гарнетта [3] и Бруггемана [4]. Это обусловлено, прежде всего, их физической наглядностью. Обе эти модели базируются на решении электростатической задачи о поле в диэлектрическом шаре. Определение эффективной диэлектрической проницаемости εeff композита с геометрией Максвелла-Гарнетта, который образован средой с диэлектрической проницаемостью ε2, содержащей редкие сферические включения малого размера с проницаемостью ε1, аналогично задаче для однородного набора атомов в вакууме и рассчитывается по формуле Максвелла-Гарнетта [4]:  (1.1)
где f1 - объемная доля сферических включений в рассматриваемом объеме композита, равная  ,
R – радиус включений. Как видно, компоненты композитной среды неравноправны. Принято считать, что модель Максвелла-Гарнетта справедлива, когда один материал представляет собой матрицу, а другой образует в ней изолированные включения, причем объемная доля последних невелика (обычно не более нескольких процентов) [5]. В том же случае, когда в композитной среде нельзя выделить матрицу и включения, часто используют модель, предложенную Бруггеманом [4], которая предполагает наличие композитной среды, образованной сферическими включениями из двух материалов с ε1 и ε2 (рис. 1.1). В данной модели считается, что каждая частица помещена не в среду матрицы, а в некоторую эффективную среду с эффективной диэлектрической проницаемостью εeff. 
Рисунок 1.1 – Геометрия композита в модели Бруггемана. Также делается предположение, что на каждый шар действует поле <E>, которое является усредненным по всему объему:  ,
где E1 и E2 – электрические поля в шарах с ε1 и ε2, а f1 и f2 – соответствующие факторы заполнения (f1 + f2 =1). Тогда формула Бруггемана выглядит следующим образом [4]:  . (1.2)
Условием применимости данной модели считается следующее ограничение на факторы заполнения (перколяционные пределы): 1/3 < f <2/3, обусловленное требованием контакта между нанокластерами. Анализ литературных данных, а также экспериментальных результатов, полученных авторами, показывает, что в приближении эффективной среды не учитывается целый ряд эффектов, в частности, связанных с рассеянием. Вместе с тем рассеяние зачастую является критическим фактором, определяющим, например, возможность использования того или иного материала в качестве сцинтиллятора, приводящим к изменению спектральных и кинетических характеристик не только пропускания, но и люминесценции. В рамках данного проекта была предпринята попытка оценить влияние рассеяния на люминесцентные свойства неоднородных сред в рамках модели Кубелки-Мунка в области сильного изменения коэффициента поглощения (при переходе от области прозрачности с полосами активаторного поглощения к области фундаментального поглощения). жүктеу/скачать 4,61 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|