Секция 4

Секция 4
ЭНЕРГЕТИКА: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
Получение ZnO нанотрубок методом электрохимического осаждения
Мейримова Т.Ю., Козловский А.Л., Кадыржанов К.К.
Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева, Астана Казахстан
[email protected]
Введение
Резкое развитие нанотехнологий в современном мире оказывает все более сильное
влияние на жизнь общества, поскольку затрагивает значительное число отраслей
промышленности. Наноструктуры широко используются в электронике, механике, технике,
биологии и химическом анализе [1]. Их потенциальное употребление связано с преобразованием и
сохранением информации в квантовой электронике, нелинейной оптике, фотонике и химической
селективной сенсорике [2]. Так можно выделить ряд преимуществ использования наноструктур
перед макроразмерными системами, которые способствуют энерго- и ресурсосбережению в
электроэнергетике:
- резкое повышение производительности вычислительных систем;
- резкое увеличение пропускной способности каналов связи;
- резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения
информации с одновременным снижением энергозатрат;
- резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и расширение спектра
измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;
- создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;
- существенное увеличение удельного веса использования электронных и
оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных
и других технологиях;
- сверхмалыми поперечными размерами и низким напряжением питания [3].
Интересным материалом для исследования является оксида цинка (ZnO). ZnO является
широкозонным полупроводником n-типа (с запрещенной зоной, которая насчитывает около 3.37
эВ при комнатной температуре) [4]. Легирование его ионами 3-х валентных металлов позволяет
увеличить концентрацию носителей заряда (электронов), следствием чего является увеличение
проводимости.
Наноструктуры на основе оксида цинка находят все большее применение в различных
областях электроники. Их используют в оптоэлектронике, устройствах на поверхностных
акустических волнах как пьезоэлектрик, в лазерных или полупроводниковых технологиях, есть
перспективы его применения в спиновой электронике. Легирование оксида цинка как в
катионную, так и в анионную подрешетки может изменить ширину запрещенной зоны, а также
концентрацию носителей заряда. К тому же ZnO наноструктуры привлекают внимание
исследователей как слои дешевых солнечных элементов (СЭ) большой площади.
Использование нанотехнологий в электронике и компьютерной технике приведет к
миниатюризации устройств, увеличению быстродействия и понижению энергопотребления.
Основной проблемой использования наноструктур, на основе ZnO, является отсутствие
технологии контролируемого получения ZnO наноструктур с управляемой геометрией и фазовым
составом [5]. Применение трековых мембран в качестве шаблонных матриц позволяет
контролировать геометрию получаемых наноструктур, а метод электрохимического осаждения
позволяет контролировать фазовый состав путем изменения прикладываемой разности
потенциалов в процессе получения наноструктур. В данной работе рассмотрено получение
наноструктур на основе ZnO полученных путем электрохимического осаждения в поры
шаблонных матриц на основе трековых мембран.
Экспериментальная часть
Для получения ZnО нанотрубок методом электрохимического осаждения из раствора
электролита использовались трековые мембраны на основе полимерной матрицы ПЭТФ типа
Hostaphan® производства фирмы "Mitsubishi Polyester Film" (Германия). Облучение ПЭТФ пленки
производилось на ускорителе DC-60 ионами криптона с энергией 1,75МэВ/нуклон.
Состав электролита для получения ZnO нанотрубок: ZnSO4·7H2O – 360 г/л; NH4Cl – 30
г/л; 3H2O·CH3COONa –15 г/л; аскорбиновая кислота – 120 г/л. Электрохимическое осаждение в
треки шаблонной матрицы проводилось при разности потенциалов 1,25 – 1,75 В с шагом 0,25 В в
потенциостатическом режиме. Осуществление контроля в ходе эксперимента проходило при
помощи мультиметра Agilent 34410A методом хроноамперометрии.
143
Секция 4
ЭНЕРГЕТИКА: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
45
1,2E-13
y = 6E-15x 4,8046
R2 = 0,9999
1.25В
1.75В
Ток, мА
30
15
Объемная скорость, м^3/c
1,5В
8E-14
4E-14
0
0
0
800
1600
2400
1,1
1,4
1,7
Разность потенциалов, В
Время, с
а)
б)
Рис. 1. а) Хроноамперограммы процесса осаждения; б) График зависимости изменения объемной
скорости от разности потенциалов
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 2. РЭМ – изображение Zn – нанотрубок – , в, д; ЭДС – спектр Zn – нанотрубок – б при 1,25 В, г – при 1,5 В, е – при 1,75 В
144
2
Секция 4
ЭНЕРГЕТИКА: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
Исследование структуры и размерности, полученных нанотрубок. проводилось с
использованием растрового электронного микроскопа Hitachi TM3030 с системой микроанализа
Bruker XFlash MIN SVE при ускоряющем напряжении 15 кВ.
Перед исследованием структурных особенностей, образцы были освобождены от
шаблонной матрицы путем ее растворения в горячем 9,0 M растворе гидроокиси натрия, и в
последующем, обработаны в течение 10 сек в ультразвуковой ванне для отделения остатков
полимера.
Результаты и обсуждение
В качестве шаблонов использовалась матрица на основе полиэтилентерефталата с
плотностью пор 4.0 Е+07 пор/см2, толщиной 12 мкм. Важной особенностью шаблонного синтеза
является возможность осуществления контроля и регулирования свойств получаемых
наноструктур благодаря использованию пор с заданной геометрией. Диаметр пор трековой
мембраны, используемой нами для осаждения Zn нанотрубок, составляет 380 ± 10 нм.
На рисунке 1а представлена зависимость изменения силы тока от времени осаждения
наноструктур в процессе электрохимического осаждения.На основании полученных
хроноамперограмм были проведены расчеты объемной скорости осаждения. Определение
константы скорости (рисунок 1б) осаждения для разности потенциалов позволяет контролировать
время заполнения шаблонной матрицы и высоту наноструктур. По результатам расчетов можно
сделать следующий вывод: объемная скорость осаждения Zn в поры шаблонной матрицы
диаметром 380 ± 10 нм увеличивается экспоненциально по мере роста разности потенциалов от
1,25 до 1,75 В.
На рисунках 2а), в), д) представлены изображения Zn нанотрубок. Анализируя РЭМ –
изображения, была определена высота нанотрубок, составившая 12 мкм, диаметры нанотрубок
соответствовали диаметру пор шаблонных матриц. На рисунках 2б), г), е) представлены ЭДА
спектры Zn нанотрубок, осажденных при разных разностях потенциалов.
В таблице 1 приведены данные по атомному соотношению в полученных образцах.
Таблица 1. Данные по атомному соотношению металлов в полученных наноструктурах
Название образца
Zn 1,25 V
Zn 1,50 V
Zn 1,75 V
Атомное соотношение
Zn73O27
Zn86O14
Zn100
Заключение
В данной работе рассмотрено получение нанотрубок на основе оксида цинка методом
электрохимического осаждения. В качестве шаблонов использовались трековые мембраны на
основе ПЭТФ с плотностью пор 4,0Е+07 и толщиной 12 мкм с диаметром 380 нм. Для изучения
структурных характеристик полученных нанотрубок были использованы методы ЭДС, РЭМ, РСА.
Согласно ЭДС анализу в результате процесса осаждения при разности потенциалов 1,25 В
происходит образование оксидной фазы цинка с атомным соотношением Zn73O27. С увеличением
прикладываемой разницы потенциалов происходит вытеснение оксидной фазы за счет
преобладания потенциала восстановления Zn над образованием оксидной фазы ZnO. Таким
образом, при разности потенциалов 1,75 В, методом электрохимического осаждения можно
получить нанотрубки из чистого цинка, без примесей оксидных фаз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ozin G.A. Nanochemistry. Synthesis in diminishing dimensions. – Adv. Mater – V.4 – 1992. – P.
612 – 649
2. Schultze J.W., Tsakova V. Electrochemical microsystem technologies: from fundamental research to
technical systems. – Electrochim. Acta – V.44. – 1999. – P. 3605 – 3627
3. Асеев А.Л. Атомная структура полупроводниковых систем. – Новосибирск: Издательство СО
РАН. – 2006. – P.292
4. He Yong-ning, ShangShi-guang, CuiWuyuan, LiXin, ZhuChang-chun, HouXun. Investigation of
luminescence properties of ZnO nanowires at room temperature. – Microelectronics Journal. – V.40.
– 2009. – P. 517 – 518
5. Yakimova R., Selegard L., et al. ZnO materials and surface tailoring for biosensing. – Frontiers in
bioscience (Elite edition). – 2012. – V. 4. – P. 254–278
145