Санкт-Петербургский государственный университет
Химический факультет
Кафедра лазерной химии и лазерного материаловедения
Дипломная работа по теме:
Влияние состава растворителя на микроволновый синтез нанопорошка CuInSe2
Студента 5 курса:
Нургалиева Михаила Радиковича
Зав. кафедрой:
Д.х.н. проф.Тверьянович Ю.С.
Научные руководители:
К.х.н. доцент Тверьянович А.С.
Инженер Мурадова Г.М.
Санкт-Петербург
2008 г.
Введение
Нанотехнология в последние годы стала одной из наиболее важных и захватывающих областей знаний на переднем крае физики, химии, биологии, технических наук. Она подаёт большие надежды на скорые прорывы и новые направления в технологическом развитии во многих сферах деятельности.
Одной из проблем, занимающих современных учёных, является проблема, связанная с созданием преобразователей солнечной энергии в электрическую . Она представляет огромный интерес из-за целого ряда причин, а именно: неисчерпаемость запаса солнечной энергии, исключение необходимости дорогостоящих и трудоёмких процессов, связанных с перевозкой топлива к преобразователю, и передачей выработанной электроэнергии к месту нахождения потребителей. Весьма заманчивым является и экологически чистое превращение в электричество и тепло энергии солнечных лучей. Сейчас уже вполне обоснованно на солнечную энергетику возлагаются очень большие надежды и резко возросла интенсивность теоретических и прикладных разработок в области преобразователей энергии солнечного излучения в электрическую.
Перспективным материалом для фотоэлементов являются наночастицы тройных полупроводниковых соединений AIBIIICVI2 благодаря их оптоэлетрическим свойствам. Было установлено, что фотоэлементы на основе соединения такого типа как CuInSe2 обладают эффективностью преобразования солнечной энергии в электрическую около 17%. Это значение является достаточно высоким и оправдывает активные поиски наиболее дешёвого и быстрого способа получения наночастиц CuInSe2. Одним из перспективных методов является микроволновой полиольныи метод, который сравнительно прост и технологичен. Вполне вероятно, что именно за этим методом будущее получения нанопорошков для фотоэлементов и не только для них.
Глава 1. Обзор литературы
1.1О нанохимии
Одной из самых актуальных современных научных проблем, лежащей на стыке материаловедения, физики и химии, является проблема наносостояния вещества. В развитых странах осознание ключевой роли, которую в недалёком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке крупномасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки. Для информационного обеспечения в области нанотехнологии иностранными и российскими издательствами в последние годы читателям предоставляется большое количество книг и журналов, например, "Nanochemistry", "Nanotechnology", "Нано- и микросистемная техника ", "Новости нанотехнологии", "Зондовые нанотехнологии в электронике", "Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века" и многие другие.
Особенность нанотел, то есть сверхмалых тел, состоит в том, что их размер соизмерим с радиусом действия сил межатомного взаимодействия, а именно с расстоянием, на которое должны быть удалены атомы тела, чтобы их взаимодействие не сказывалось на его свойствах в заметной степени. Вследствие данной особенности нанотела взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой иначе, чем макротела. Специфика взаимодействия столь велика, что для исследования наносистем сформировалось особое направление научного поиска, которое можно назвать физикохимией наносистем или для краткости нанохимией [3].
Перед тем как начать краткий обзор проблем, современных достижений и перспектив развития нанохимии, полагаю необходимым определиться с терминологией, дать четкое определение «понятиям с приставкой «нано»-, которые сейчас широко употребляются.
В концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года, одобренной в основном Правительством Российской Федерации (18 ноября 2004 года), используются следующие термины:
Нанотехнология - совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать модифицированные объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий, функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Наноиндустрия - вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники [2].
Теперь обратимся ненадолго к истории: Как возникло понятие о нановеществе? Особые физические свойства малых частиц давно, хотя и неосознанно, использовались людьми. Ещё в древнем Египте изготавливались образцы цветных стёкол, окрашенные коллоидными частицами металлов. Первым научным упоминанием малых частиц является, по-видимому, открытое в 1827 году шотландским ботаником Р.Броуном беспорядочное движение частиц цветочной пыльцы, взвешенных в жидкости. Теория броуновского движения, развитая независимо А.Эйнштейном и М.Смолуховским в начале XX века, является основой одного из экспериментальных методов определения размеров малых частиц. Фактически началом изучения наноструктурного состояния вещества явились исследования в области коллоидной химии, достаточно широко проводившиеся уже с середины XIX века. В начале XX века значительный вклад в развитие коллоидной химии и исследование дисперсных веществ, в определение размеров коллоидных частиц внёс шведский учёный Т.Сведберг. В 1919 году он создал метод выделения коллоидных частиц из растворов с помощью ультрацентрифуги. В 1926 году за работы в области дисперсных систем Т.Сведбергу была присуждена Нобелевская премия по химии. В 1960 году на собрании Американского Физического общества известный физик, лауреат Нобелевской премии, Ричард Фейнман почитал провидческую и пророческую лекцию под названием «Там внизу ещё очень много места», где фантазировал на тему вероятности создания и потенциальных возможностей наноразмерных материалов. Он предлагал манипулирование отдельными атомами для создания структур с очень разными свойствами. Множество фейнмановских измышлений стало реальностью, однако, его идеи не нашли отклика у учёных того времени. Сейчас среди исследователей в области нанотехнологии эта лекция, разумеется, является легендарной [5].
В XX веке стали интенсивно развиваться исследования гетерогенного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких плёнок. В таких исследованиях естественно возникал вопрос о влиянии малого размера изучаемых объектов на их свойства. В настоящее время к наноструктурным материалам относят нанопорошки металлов , сплавов, интерметаллидов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов, и эти же вещества в компактном состоянии с зёрнами нанометрового размера, а также полимеры, углеродные наноструктуры, нанопористые материалы, нанокомпозиты, биологические наноматериалы [1]. Новейшие нанотехнологии наряду с комьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке [2]. По этой причине правительствами ведущих стран приняты широкомасштабные программы по поддержке и развитию работ в области нанотехнологии.
Учёным, занимающимся исследованиями в области нанохимии, приходится сталкиваться со многими проблемами. Публикации по нанохимии указывают на то, что теоретическое и экспериментальное направления в нанохимии развиваются при значительном отставании теории от эксперимента, но с большим прикладным выходом в технику, медицину и экологическую химию.
Теоретическая нанохимия сосредотачивается на формулировании основного кинетического уравнения для изменения функции распределения наночастиц по состояниям в процессе синтеза и использования ультрадисперсных веществ. Это уравнение отражает закономерности изменения внешних (положение центра масс в пространстве , скорость движения, масса) и внутренних (состав, структура, дефектность) координат отдельного нанотела в фазовом пространстве во времени [4]. Сейчас эти расчёты проводят путём приближённого решения уравнения Шрёдингера для непосредственно контактирующих атомов, а взаимодействия наиболее удалённых атомов учитывают, вводя произвольный или эмпирический потенциал взаимодействия.
Что касается экспериментальной нанохимии, то она развивается в трёх направлениях. В рамках первого из них разрабатываются и используются сверхчувствительные спектральные методы, дающие возможность судить о структуре молекул, включающих десятки и сотни атомов. В рамках второго направления исследуют явления при локальных электрических, магнитных или механических воздействиях на нанотела, реализуемых с помощью нанозондов и специальных манипуляторов. При этом преследуется цель изучить взаимодействие отдельных молекул газа с нанотелами, нанотел друг с другом, выявить возможность внутримолекулярных перегруппировок без разрушения молекул и с их распадом, а также осуществить «атомную сборку», то есть попытаться, перемещая атомы по поверхности подложки, собрать из них нанотело нужного радиуса. Работы третьего направления сконцентрированы на прецизионном определении макрокинетических характеристик коллективов нанотел и функций распределения нанотел по параметрам состояния с целью детализации основного кинетического уравнения.