Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0181

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0181
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет"
Название доклада
Механизмы СВЧ-поглощения в многокомпонентных гиперфуллероновых структурах в составе природно-легированных композитов: опытные данные и моделирование ab-initio
Докладчик
Червяков Леонид Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Установление механизмов широкополосного поглощения СВЧ-излучения во вновь создаваемых материалах с микро- и наноуглеродными или/и магнитными включениями, в том числе, с гиперфуллереновыми, входящими в состав природно-легированного композита типа минерала шунгит.
1. Определение влияния на СВЧ-поглощение содержания и формы углеродистых компонентов в составе природно-легированного композита на основе наностуктурированного минерала шунгит. Изучить наблюдаемое в наноструктурированном аморфном углероде, получаемом из щунгитового минерала, повышение поглощательной способности, отражения и диэлектрических потерь СВЧ излучения. При этом, преимущественный рост диэлектрических потерь вызван низкой проводимостью углеродных образований на частотах меньших критической.
2. Исследование роли магнитных включений в полимерных и углеродных матрицах на микроволновое поглощение.
3. Доказательство комплексности влияния многостенных углеродных нанотрубок и наночастиц Ni на поглощение СВЧ-излучения.
4. Установление особенностей и закономерностей в СВЧ поглощении ив материалах с электропроводящими или/и магнитными свойствами.
5. Проведение комплексных наноразмерных исследований микро- и наностуктурных материалов, обладающих повышенным уровнем СВЧ-поглощения для установления качественных механизмов его возникновения.
6. Выявление соответствий между модельными расчетными изменениями структуры фуллеренов и опытно наблюдаемыми структурами и составом наноуглеродных материалов, включая фуллерены.
7. Изучение электронной структуры фрагментов наиболее распространенного фуллерена C60, контактирующих с наночастицами типичного диэлектрика – диоксида кремния.
Актуальность и новизна исследования
Явления микроволновой абсорбции (МА) известны и интенсивно изучаются на протяжении нескольких последних десятилетий, что позволило опытно установить и теоретически описать основные причины возникновения микроволнового поглощения, перейти к решению практических задач проектирования поглотителей. Воздействие электромагнитного излучения на различные материалы зависит от состава, структуры и других факторов, приводит к изменениям коэффициентов отражения, пропускания или поглощения, обладающих дисперсией и имеющих комплексный характер, сопровождается доминированием одного из них. Высокий уровень отражательной и/или поглощательной способности некоторых материалов положены в основу разработки различных элементов и устройств, покрытых экранирующими и/или поглощающими материалами, с существенным широкодиапазонным снижением электромагнитных полей на радио- и сверхвысоких частотах (СВЧ) внутри экранируемых объектов. Способность материалов к поглощению СВЧ-излучения характеризуется величиной мнимой части диэлектрической и магнитной проницаемостей, тогда как отражение – их действительными частями при согласованных импедансах внешней среды и поверхностного слоя активного вещества. Интерес представляют широкополосные СВЧ поглотители, в которых увеличение рабочего диапазона достигается созданием многослойных, сотовых и ячеистых структур с металлическими наполнителями различной формы, в частности, композитных материалов. Помимо этого другим направлением, по которому актуализируются эти исследования, является все более расширяющаяся применимость микроволн (от 0.3 до 300 ГГц, что соответствует длинам 1 м до 1 мм) как для обработки материалов, так и в бытовой технике.
Описание исследования

Известно, что в основе механизма поглощения электромагнитного излучения лежит возбуждение вихревых токов в проводнике и его рассеяние в диэлектрике. Особый интерес, в этой связи, представляют композиты, содержащие материалы с существенно разной проводимостью, типичным примером которых может служить шунгит, как классический природный композит. Изучены наноструктура и СВЧ-поглощение (до 40 ГГц) образцов как исходного шунгита, так и со вскрытыми интенсивной щелочной или кислотной обработкой кремниевыми каркасами. По данным микроспектрального рамановского рассеяния установлено наличие в них наноуглеродных образований, в частности, из фуллеренов С60, а также других углеродных структур с sp2 – гибридизацией. Обработка несколько увеличивает размеры этих нанокластерных структур, от 3.5 до 6 нм, что подтверждено расчетами по данным  РСА и измерениями МУРР и ростом на порядок проводимости образцов с 1 до 10 См. Полученное гиперспектральное распределение спектра КРС на линии С60 – 450 и 190 см–1 соответствует их изотропному распределению по поверхности, с содержанием до 2 %. Расчетное количество С60 в наноколастерах (с учетом характерного размера 0.357 нм) N = R3/r3 составило ~ 340. Рост микроволнового поглощения в диапазоне 12.6 – 40ГГц от 9.5 до 44.5 Дб объяснен как увеличением диэлектрических потерь, так и рассеиванием энергии поля на углеродных структурах и кремниевом каркасе, претерпевших сильные искажения при обработке. Об этом свидетельствует и совпадение максимумов в спектре поглощения резонансно возбуждаемых стоячих волн в используемом при измерениях объемном резонаторе векторного анализатора. Таким образом, комплексное использование в качестве СВЧ-поглотителей наноугллеродных структур (в частности, фуллеренов) и диэлектрических прослойки (например, из диоксид кремния), указывает на перспективность разработок нанокомпозитных поглотителей СВЧ диапазона. Проведен численный анализ влияния изменений электронной структуры таких композитов с учетом того, что свободные фуллерены не являются проводниками и характеризуются шириной запрещенной зоны 1.6¸1.8 эВ. В то же время, представленные опытные данные по изучению фуллеренов в составе модифицированного природного шунгита указывают на большое разнообразие их структуры, когда не исключено возникновение электронных структур близких к металлическим. В этой связи нами изучено взаимодействие искаженных фуллеренов с диэлектрическим окружением на примере электронных структур фуллерена и его фрагментов (C50, C40, C30, C20 и C10), контактирующих с наночастицами диоксида кремния. В качестве метода изучения использована теория функционала плотности. Показано, что свободные фрагменты фуллерена, благодаря сильной релаксации волновых функций углеродных атомов, имеют, как правило, энергетическую щель между заполненными и незаполненными состояниями, сравнимую со щелью, характерную для C60, а иногда и превышающую ее в виде соответствующего ряда значений: 1.69, 1.95, 0.77, 1.42, 2.47, 1.09 эВ (для сравнения у Si6O12 – 2.07 эВ. Однако при взаимодействии их с частицами диоксида кремния энергетическая щель может существенно уменьшаться, т.е. электронная структура уподобляется электронной структуре проводников. Как показали расчеты такие комплексы как Si6O12C60, Si6O12C50, Si6O12C40, Si6O12C30, Si6O12C20, Si6O12C10 могут проявлять себя как в области эффективного поглощения, так и диссипации электромагнитного излучения, что подтверждается существенным изменением ширины запрещенной зоны: 1.65, 0.30, 1.03, 0.12, 0.15, 0.22 эВ, что согласуется с представленными результатами по СВЧ поглощению.

Все расчеты, проведенные в данной работе, выполнены с помощью широко известного пакета FHI96md, основанного на теории функционала электронной плотности в рамках подхода Кона-Шэма, метода псевдопотенциала и набора плоских волн. Псевдопотенциалы генерировались с помощью пакета FHI98pp, обменно-корреляционное взаимодействие учитывалось в приближении обобщенных градиентов, энергия обрезания набора плоских волн составляла 50 ридберг. 

В рамках теории функционала плотности и псевдопотенциала изучена электронная структура фуллерена C60 и его фрагментов (C50, C40, C30, C20 и C10), контактирующих с наночастицами диоксида кремния. Показано, свободные фрагменты фуллерена как правило имеют энергетическую щель между заполненными и незаполненными состояниями, сравнимую со щелью, характерную для C60, а иногда и превышающую ее. 

Результаты исследования

По результатам проведенного структурного и элементного анализа в образцах природного шунгита обработанных HF отмечается вскрытие кремниевых каркасных оболочек, что объясняет повышение их рентгеноаморфности. Гиперспектральное распределение КРС на фуллеренах по поверхности естественного скола природного шунгита свидетельствует об изотропности расположения нанокластеров фуллеренов, которое после обработки HF становится только более явно выраженным, что согласуется с ростом при этом уровня рентгеноаморфности.

Наблюдаемое в наноструктурированном аморфном углероде, получаемом из щунгитового минерала, повышение поглощательной способности, отражения и диэлектрических потерь СВЧ излучения достигаются как за счет диэлектрических потерь, так и в связи с рассеиванием и поглощением энергии ЭМИ. При этом, преимущественный рост диэлектрических потерь вызван низкой проводимостью углеродных образований на частотах меньших критической. Рост поглощения энергии ЭМИ на частотах больших критической на указанных наноуглеродных образованиях из частиц и/или нанокластеров из них вызывается как полуволновым резонансом, когда материал исследуемого образца в резонаторе оказывается промодулированным стоячими волнами, так и четвертьволновым резонансом, когда в максимальном электрическом поле СВЧ излучения эти структуры дипольно-поляризуются и подвергаются деформационным  колебаниям.

Металлоуглеродные нанокомпозиты с включениями ФМ металлов являются эффективными поглотителями ЭМ-излучения. Установлено, что введение ферромагнитных наночастиц в углеродные наноструктурированные матрицы увеличивает коэффициент СВЧ-поглощения во всех исследуемых образцах. Экспериментально установлено, что СВЧ-поглощение в практически значимом динамическом диапазоне может быть обусловлено, как составом и структурой углеродной матрицы, так и  размерами включений ферромагнитных наночастиц. Предложен резонансно-магнитострикционный механизм СВЧ-поглощения на примере FeCo/C металлоуглеродного нанокомпозита.

Использование микродобавок МСУНТ в порошковые композиции с цементом или с железорудным концентратом, позволяет значительно повысить поглощательную способность СВЧ-излучения во всем  диапазоне частот до 40 ГГц, что  обусловлено комплексным вкладом, как диэлектрической МСУНТ и цемента, так и магнитной проницаемости железорудного концентрата. 

Квантово-механическими расчетами электронной структуры показано, что при контакте фрагментов фуллерена C60 с частицами диоксида кремния могут возникать комплексы обладающие крайне малыми расстояниями между заполненными и незаполненными состояниями, то есть имеющие большое число электронов проводимости. Такие комплексы могут проявлять себя как области эффективного поглощения и диссипации электромагнитного излучения. 

Практическая значимость исследования
Результаты исследований СВЧ-поглощения, основанного на комбинированном резонансном действии как магнитной, так и диэлектрической проницаемостей в изученных материалах могут быть использованы при разработке и создании широкополосных СВЧ-поглотителей в виде радиопоглощающих покрытий на элементах и устройствах, а также при изготовлении конструкций с высоким уровнем защищенности от СВЧ-излучения.
Разработанное программы, методики квантово-механических расчетов апробированное для целочисленных модификаций фуллеренов вполне могут быть использоваться при проведении аналогичных расчетов по материалам, имеющих высокие эксплуатационные и функциональные характеристики, на основе которых разрабатывается новая элементная база микро- и наноэлектроники, а также новые материалы для машиностроения и других отраслей промышленности.

СВЧ-поглощение в материалах с гиперфуллереновыми включениями, получаемыми из природно-легированного минерала типа шунгит могут использоваться в качестве СВЧ-поглотителя за счет диэлектрических потерь.
Добавление к гиперфуллереновым композитным природно-легированным порошкам из шунгита ультрадисперсных ферромагнитных включений на основе магнетита – Fe3O4 или гематита – Fe2O3, получаемых на Михайловском горно-обогатительном комбинате, за счет высокой магнитной проницаемости позволяет повысить СВЧ-поглощение как за счет диэлектрической, так и магнитной проницаемостей.
Свойственная диэлектрической и магнитным проницаемостям частотная зависимость способна обеспечить комплексное использование СВЧ-поглотителей, создаваемых на такой основе, как создание устройств, так и материалов, отличающихся повышенными экранирующими свойствами и защитными электромагнитного воздействия.
Представляет отдельный интерес использование добавок из материалов обладающих проявлением СВЧ-поглощения за счет диэлектрических и магнитных потерь в полимерные композиционные материалы с высокими прочностными характеристиками. Внесение таких добавок создает перспективу для комплексного решения проблем защиты и маскировки специальной техники, в широком спектральном диапазоне, вплоть до видимого.