Физика диэлектриков : термоактивационная и диэлектрическая спектроскопия кристаллических материалов. Протонный транспорт
Покупка
Тематика:
Физика твердого тела. Кристаллография
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Автор:
Тимохин Виктор Михайлович
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 258
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-87623-677-7
Артикул: 751045.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие содержит теоретические и экспериментальные исследования материалов, начиная с модельных кристаллов льда, гидросульфатов кальция и меди, до практически применяемых кристаллов онотского талька, слюды мусковита и флогопита, являющихся сырьём для изготовления электроизоляционных материалов. Подробно исследованы кристаллы иодата лития, применяемые в лазерных технологиях, туннельный эффект и механизм протонного транспорта и диэлектрической релаксации в условиях высоких и низких температур, в агрессивной среде и при воздействии ультразвуковых вибраций в высокочастотном электрическом поле. Разработана математическая модель и описаны новые методы диагностики и исследования кристаллических материалов. Предназначено для подготовки магистров, аспирантов и дипломированных специалистов вузов по специальностям «Материаловедение и технология материалов», «Техническая физика», «Электроника и наноэлектроника», а также для инженеров по эксплуатации энергетических установок, электрооборудования и средств автоматики. Содержит материал, который заинтересует инженеров-физиков и эксплуатационников.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 537: Электричество. Магнетизм. Электромагнетизм
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 11.04.04: Электроника и наноэлектроника
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков В.М. Тимохин Физика диэлектриков Термоактивационная и диэлектрическая спектроскопия кристаллических материалов. Протонный транспорт Учебное пособие Рекомендовано редакционно-издательским советом университета Москва 2013 № 2265
УДК 621.315;621.317;537.226 Т41 Р е ц е н з е н т д-р физ.-мат. наук В.Г. Костишин Тимохин, В.М. Т41 Физика диэлектриков : термоактивационная и диэлектрическая спектроскопия кристаллических материалов. Протонный транспорт : учеб. пособие / В.М. Тимохин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 258 с. ISBN 978-5-87623-677-7 Учебное пособие содержит теоретические и экспериментальные исследования материалов, начиная с модельных кристаллов льда, гидросульфатов кальция и меди, до практически применяемых кристаллов онотского талька, слюды мусковита и флогопита, являющихся сырьём для изготовления электроизоляционных материалов. Подробно исследованы кристаллы иодата лития, применяемые в лазерных технологиях; туннельный эффект и механизм протонного транспорта и диэлектрической релаксации в условиях высоких и низких температур, в агрессивной среде и при воздействии ультразвуковых вибраций в высокочастотном электрическом поле. Разработана математическая модель и описаны новые методы диагностики и исследования кристаллических материалов. Предназначено для подготовки магистров, аспирантов и дипломированных специалистов вузов по специальностям «Материаловедение и технология материалов», «Техническая физика», «Электроника и наноэлектроника», а также для инженеров по эксплуатации энергетических установок, электрооборудования и средств автоматики. Содержит материал, который заинтересует инженеров-физиков и эксплуатационников. УДК 621.315;621.317;537.226 ISBN 978-5-87623-677-7 © В.М. Тимохин, 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..............................................................................................6 Введение....................................................................................................8 Список обозначений и сокращений......................................................16 Глава 1. Анализ исследований протонного транспорта в материалах с водородными связями..................................................17 1.1. Лёд как идеальная модель кристаллов с водородными связями. Диэлектрическая релаксация во льду................................17 1.2. Дефекты кристаллической структуры льда ..............................20 1.3. Диэлектрическая релаксация и проводимость кристаллогидратов и силикатов ........................................................29 1.4. Диэлектрическая релаксация и проводимость ионных кристаллов иодата лития....................................................................41 1.5. Структурные особенности и динамика протонов в кристаллах ........................................................................................46 Глава 2. Теоретические основы и методика эксперимента ................51 2.1. Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость ....................................................................................51 2.2. Термостимулированные токи поляризации и деполяризации .................................................................................59 2.3. Методика расчета параметров дефектов по кривым ТСТД....61 Определение концентрации заряда...............................................61 2.4. Определение типа релаксационного процесса..........................65 2.5. Расчёт энергии активации при наложении релаксационных процессов.............................................................................................67 2.6. Методы и средства измерений параметров кристаллических и электроизоляционных материалов...................68 2.6.1. Многофункциональное устройство для исследования физико-технических характеристик полупроводников, диэлектриков и электроизоляционных материалов ...................70 2.6.2. Электрическая схема и ошибки измерений........................76 Глава 3. Протонно-ионный механизм диэлектрической релаксации и проводимости в кристаллогидратах и силикатах.........82 3.1. Диэлектрическая релаксация и проводимость в кристаллах льда................................................................................82 3.2. Влияние условий поляризации на спектры ТСТД кристаллов...........................................................................................85 3.2.1. Спектры ТСТД онотского талька........................................89
3.2.2. Спектры ТСТД гидросульфата кальция .............................93 3.2.3. Спектры ТСТД гидросульфата меди ..................................96 3.2.4. Спектры ТСТД кристаллов слюды (мусковита и флогопита)................................................................97 3.3. Диэлектрические потери и комплексная диэлектрическая проницаемость ..................................................................................101 3.4. Типы и параметры релаксаторов в кристаллогидратах и силикатах........................................................................................112 3.5. Электропроводность и механизм диэлектрической релаксации. Транспорт протонов и туннельный эффект..............117 3.5.1. Электропроводность и механизм диэлектрической релаксации.....................................................................................117 3.5.2. Транспорт и туннелирование протонов............................120 Глава 4. Протонно-ионный механизм диэлектрической релаксации и проводимости в кристаллах α-LiIO3............................136 4.1. Температурно-частотные зависимости tgδ и ε* кристаллов α-LiIO3 ...........................................................................139 4.2. Электрическая проводимость, термостимулированные токи деполяризации и термостимулированная люминесценция в кристаллах α-LiIО3. Влияние анизотропии .................................144 4.3. Механизм трансляционной диффузии протонов в монокристаллах α-LiIO3...................................................................151 4.4. Инфракрасные спектры.............................................................159 4.5. ЯМР-спектры протонов в широкозонных кристаллах...........170 Глава 5. Математическая модель материалов со слоистой кристаллографической структурой.....................................................175 5.1. Дифференциальные уравнения установления процесса поляризации ......................................................................................175 5.2. Уравнение для расчёта плотности ТСТД кристаллов со слоистой кристаллографической структурой ...........................181 5.3. Нелинейная теория спектров термостимулированных токов в сложных кристаллах с водородными связями..................186 5.3.1. Нелинейная модель протонной релаксации.....................187 5.3.2. Кинетика термодеполяризации при блокирующих электродах .....................................................................................189 5.4. Сравнение теоретических и экспериментальных спектров ТСТД..................................................................................................192 Глава 6. Пробой и Упрочнение кристаллических материалов.........199 6.1. Вклад транспорта протонов в электрический пробой кристаллических материалов ..........................................................199
6.2. Вклад транспорта протонов в электрическое упрочнение кристаллических материалов ..........................................................204 Глава 7. Новые технологии и методы диагностики материалов с протонной проводимостью ...............................................................206 7.1. Диагностика типа и концентрации дефектов в кристаллических материалах...........................................................206 7.2. Физические основы технологии получения и диагностики протонных проводников и полупроводников n- и p-типов .........208 7.3. Действие ультразвука на параметры кристаллических материалов в переменном электрическом поле.............................210 Неразрушающая диагностика качества и готовности кристаллических материалов с протонной проводимостью.....215 7.4. Термостимулированные токи деполяризации в электроизоляционных материалов на основе плёнок из полипропилена .............................................................................222 Технология получения и диагностики полимеров с низкой температурой стеклования...........................................228 7.5. Неразрушающий метод диагностики упрочнения электроизоляционных и кристаллических материалов с протонной проводимостью ...........................................................230 7.6. Метод экологического мониторинга материалов с протонной проводимостью по определению щелочных и кислотных примесей .....................................................................237 7.7. Диагностика температуры появления туннельного эффекта в кристаллических материалах с протонной проводимостью .................................................................................241 7.8. Диагностика количества молекул кристаллизационной воды в кристаллогидратах ...............................................................246 Заключение............................................................................................251 Библиографический список.................................................................257
ПРЕДИСЛОВИЕ В основе книги лежат результаты экспериментальных и теоретиче- ских исследований, проведенных при непосредственном участии или под руководством автора. Приведен список литературы, где можно най- ти более подробную информацию по рассмотренным вопросам. В первой главе рассмотрено состояние проблемы в настоящее время, проведён анализ существующих данных по методам исследо- вания, диагностики и структуре кристаллических и электроизоляци- онных материалов. Обзор начинается с характеристики льда, как простейшего материала с водородными связями. Рассматриваются виды дефектов, имеющие место во льду, известные спектры термо- стимулированных токов деполяризации (ТСТД) и диэлектрических потерь в этом материале. Приводятся проблемы, которые не были решены. Затем рассматриваются материалы с возрастающей сложно- стью кристаллической решётки: сульфаты кальция CaSO4·2H2O и меди CuSO4·5H2O, онотский тальк Mg3[Si4O10][OH]2, слюда мусковит KAl2[AlSi3O10][OH]2, а также слюда флогопит KMg3[AlSi3O10][F,OH]2. Показаны известные результаты по исследованию протонной релак- сации и диффузии протонов в этих материалах. Рассмотрены типы их кристаллических решёток и известные спектры ТСТД, в объяснении которых показаны существенные недоработки как в теории, так и в эксперименте. Далее приведены структурные особенности и поведе- ние кристаллов гексагональной модификации иодата лития, широко применяемые в лазерных технологиях. В отличие от простейших кристаллов NaCl, LiI, KCl и других кристаллы иодата лития оказа- лись слабо изученными. Во второй главе описываются основы теории электропроводно- сти, диэлектрических потерь и термостимулированных токов поля- ризации и деполяризации в кристаллических материалах. Даются основные характерные зависимости параметров диэлектрических материалов от частоты и температуры и методы их расчета; описание экспериментальной установки для измерения термостимулирован- ных токов (ТСТ), удельной электрической проводимости, диэлектри- ческих потерь, электрической емкости и диэлектрической проницае- мости. Приводится расчет ошибок измерения всех параметров. В третьей главе описываются экспериментальные данные по из- мерению ТСТ, ТСТД и удельной электрической проводимости как в модельных кристаллогидратах, так и в силикатах. Рассмотрен меха-
низм диэлектрической релаксации и электропроводности исследо- ванных материалов. Показано влияние агрессивных сред и низких температур на спектры ТСТД. Оценивается вероятность туннелиро- вания протонов на основе квантовой теории. В четвёртой главе представлены экспериментальные спектры ТСТД, tgδ(ν, Т) и ε′(ν, Т) гексагональных кристаллов иодата лития. Сравниваются спектры ТСТД и термостимулированной люминес- ценции (ТСЛ), рассматривается механизм диэлектрической релакса- ции и транспорта протонов. Для подтверждения выводов, сделанных на основе электрических измерений, изучены инфракрасные спектры поглощения. В пятой главе рассматривается математическая модель материа- лов со слоистой кристаллографической структурой. Приводится сис- тема дифференциальных уравнений, описывающих установление процесса релаксации как без учёта туннельных переходов, так и с учётом последних. Даются их решения и уравнения для расчета плотности термостимулированных токов для обоих случаев. Прово- дится сравнение с экспериментальными данными. В шестой главе исследован и рассмотрен механизм влияния трансляционной диффузии протонов на пробой и электрическое уп- рочнение кристаллических и электроизоляционных материалов. В седьмой главе приведены описания новых технологий и мето- дов диагностики кристаллических, электроизоляционных и полимер- ных материалов, большинство из которых защищены патентами.
ВВЕДЕНИЕ Данная работа является результатом многолетних исследований автора, которые могут быть использованы при подготовке специали- стов высокого уровня в области нанотехнологий и физики кристал- лических и диэлектрических материалов. Уделено много внимания физической интерпретации результатов проведённых экспериментов. При этом особенно подчёркивается практическая значимость и при- кладное значение этих исследований. Актуальность и практическая значимость исследования связана с необходимостью более точного выяснения механизма диэлектриче- ской релаксации и электропроводности, динамики процессов в твёр- дых телах для определения состояния кристаллических и электро- технических материалов в процессе их изготовления и технической эксплуатации. Количество материалов как кристаллических, так и аморфных, в которых протонный транспорт играет основную роль, постоянно увеличивается. Скорость протекания процессов транспор- та определяется подвижностью дефектов и их концентрацией. В большинстве водородсодержащих кристаллов атомы водорода за- нимают определённые кристаллографические позиции в структуре и образуют упорядоченную сетку водородных связей. Одномерные, двумерные или трехмерные сетки водородных связей объединяют структурные единицы соответственно в цепочки, слои или трехмер- ные структуры. Большинство известных протонных проводников можно условно разделить на три группы: высокотемпературные (Т > 573 К), средне- температурные Т = 573…373 К и низкотемпературные Т = 373…77 К и ниже. Класс высокотемпературных протонных проводников пред- ставлен сложными оксидными соединениями со структурой перовски- та АВО3 (например, LaScO3). Традиционными объектами исследова- ния высокотемпературного протонного транспорта являются цераты и цирконаты щелочноземельных металлов, в которых вакансии кисло- рода задаются введением акцепторных примесей. Первая и вторая группы включают электролиты солей и исследованы довольно под- робно. В частности, протонная проводимость в суперпротонных фазах почти не отличается от проводимости расплавов этих солей и при температуре Т = 460 К находится в пределах 10−1…101 Ом−1· м–1. По- скольку число незанятых кристаллографических кислородных вакан- сий может быть довольно большим, то концентрация протонных но-
сителей тока может быть достаточно высока. В конце 1990-х годов была показана возможность протонного транспорта в структурах криолита Sr6Nb2O11 и браунмиллерита Ва2In2O5, и к настоящему вре- мени круг таких объектов остаётся весьма немногочисленным. Третья группа кристаллов в связи со сложностью эксперимента при низких температурах исследована ещё менее подробно. Методы легирования кристаллов в процессе их выращивания являются одним из перспективных методов синтеза кристаллов с заданными свойст- вами, но до сих пор не создано единой теории, позволяющей прогно- зировать возможность получения таких материалов и их поведение в экстремальных условиях. В связи с этим актуальным является ком- плексное изучение электрических и оптических свойств этих мате- риалов, исследование механизма диэлектрической релаксации и про- водимости, особенностей протонного транспорта, туннельного эф- фекта, представляющих значительный интерес как для фундамен- тальных исследований протонного транспорта, так и для обеспечения теоретического обоснования и разработки новых технологий, нано- технологий, методов диагностики и исследования материалов и соз- дания основ промышленной технологии получения кристаллических и электротехнических материалов и изделий с заданными свойства- ми, работающих под действием различных внешних воздействий. Параметры транспорта в таких материалах определяются особен- ностями кристаллической решётки материала, которые существенно зависят от внешних условий: температуры, влажности, давления, ультразвуковых вибраций и т.д. Отсутствие систематических иссле- дований влияния указанных факторов на протонную проводимость ряда соединений обусловливает целый ряд принципиальных вопро- сов, связанных с механизмом протонного транспорта, состоянием протонов в кристаллах и поликристаллических образцах. С другой стороны, область возможного практического примене- ния твёрдых протонных проводников чрезвычайно широка и привле- кательна по экономическим, экологическим и технологическим при- чинам. На основе протонных проводников уже созданы высокоэф- фективные топливные элементы, коэффициент полезного действия которых приближается к 100 %, электролизёры водяного пара, элек- трохимические сенсоры, электрохимические реакторы, электрохром- ные устройства. Очевидно, что самым безопасным и легко управляе- мым способом транспорта водорода является протонный перенос в твердотельных протонных проводниках. Проблемы разработки науч- ных основ и технологии получения таких проводников являются в
настоящее время сдерживающими факторами технического исполь- зования водородного топлива и сенсорных материалов. Большой интерес представляет исследование третьей группы низ- котемпературных протонных проводников – соединений, обладаю- щих высокой протонной проводимостью при температурах, близких к комнатной и ниже. Изучение протонной проводимости твёрдых тел при низких температурах помимо прикладных вопросов тесно связа- но с актуальными проблемами органической химии, биофизики и биологии. Низкотемпературные протонные проводники, как правило, обладают ионообменными свойствами. Электроизоляционные материалы на основе кристаллов с водо- родными связями, а именно, слюды мусковит и флогопит, онотский тальк, стеатитовая керамика, полимерные материалы получили ши- рокое практическое применение в качестве изоляции подводных ка- белей, на атомных станциях, в судовых генераторах. Кристаллы ио- дата лития широко применяются в лазерных технологиях, оптоволо- конных линиях связи и кабельном телевидении. Это и послужило толчком для более тщательного исследования этих материалов для предсказания поведения кристаллических и изоляционных материа- лов в экстремальных условиях – при низких и высоких температурах, звуковых и ультразвуковых вибрациях, в агрессивных средах, в вы- сокочастотных электрических и электромагнитных полях. Такие ус- ловия часто создаются при эксплуатации таких судов, как танкеры, химовозы, сухогрузы, а также на береговых промышленных и хими- ческих предприятиях. Целью данной работы является введение обучающихся в практиче- ский курс физики полупроводников и диэлектриков, изучение ком- плексного метода диэлектрической спектроскопии кристаллических и изоляционных материалов, а также экспериментальное и теоретическое исследование протонного транспорта в материалах со сложной кри- сталлической структурой, итогом которого предполагается разработка единого механизма диэлектрической релаксации и электрической про- водимости. Важно и практическое применение физических методов ис- следования для контроля качества электрической изоляции и оптиче- ских кристаллов при изготовлении и в процессе эксплуатации. Это в конечном итоге обеспечит увеличение безопасности жизнедеятельности оборудования и обслуживающего персонала, а также снизит вероят- ность возникновения чрезвычайных ситуаций и аварий в промышленно- транспортных комплексах, что предусмотрено Основными направле- ниями экономического развития РФ до 2020 г.
В настоящее время качество изоляции определяется в основном по проводимости при помощи мегаомметров. Поэтому совершенствова- ние этих методов, создание новых видов неразрушающих диагностик и технологий является важнейшей задачей учёных и инженеров. В свя- зи с тем, что кристаллическая структура этих материалов довольно сложная, сначала проводились исследования модельных или эталон- ных более простых кристаллов льда, гидросульфатов кальция и меди, которые подтвердили точность и широкие возможности новой экспе- риментальной установки. Лёд исследован достаточно подробно в ра- ботах группы М.П. Тонконогова (Караганда), группы А.В. Заретско- го, В.Е. Петренко (институт ФТТ, г. Черноголовка) и у ряда зарубеж- ных авторов. Однако теоретические предположения о росте тока в сла- болегированных кристаллах льда не были подтверждены эксперимен- тально. Кроме того, спектр диэлектрических потерь получен в узком диапазоне температур 273…190 К. И только после отработки методи- ки эксперимента была исследована вторая группа кристаллических и электроизоляционных материалов со сложной кристаллической струк- турой: онотский тальк Mg3[Si4O10][OH]2, кристаллические слоистые ма- териалы слюда мусковит KAl2[AlSi3O10][OH]2 и слюда флогопит KMg3[AlSi3O10][F,OH]2, а также ионные кристаллы гексагональной мо- дификации α-LiIO3 и полипропилен в диапазоне температур 77…373 К. Иодат лития исследовался группой С.В. Богданова, К.И. Авдиенко, Б.И. Кидярова и др., А.А. Абрамовича, а также группой Ю.М. По- плавко и рядом зарубежных авторов, но исследовались в основном диэлектрические потери, которые являются малоинформативными. Группа М.С. Мецика, Л.А. Щербаченко и др. исследовала мусковит, но в спектре ТСТД обнаружили только четыре максимума. Причём ни один максимум не был связан с протонсодержащими дефектами, а объяснялся раскристаллизацией пленок. Нет объяснения наличия отрицательных токов, тем более что измерения проводились только до 190 К, т.е. выводы авторов о природе максимумов ТСТД в слюдах требуют серьезной доработки. До настоящего времени не разработано единого подхода и ком- плексной методики исследований и не изучен механизм релаксации и диффузии протонов в материалах с водородной связью, не являю- щихся супепротониками. В ИНХ им. А.В. Николаева СО РАН иссле- дован транспорт протонов по сетке водородных связей через кри- сталлы цеолитов вдоль слоёв воды, однако исследованные кристаллы и электроизоляционные материалы практически невозможно исполь- зовать вдоль плоскостей спайности из-за их хрупкости. Проблема
комплексного исследования слоистых кристаллических и электро- изоляционных материалов до сих пор окончательно не решена. Все исследованные материалы имеют одну общую характеристи- ку – их кристаллические решётки в той или иной степени содержат водородные связи. Однако это не мешает создавать на их основе электроизоляционные материалы, например, миканит коллекторный КФП-1 – на основе флогопита, микафолий – на основе пластин мус- ковита, склеенных лаком, стеатитовый материал СПК-2 – на основе отожженного онотского талька, используемого для изготовления вы- соковольтной изоляции СНЦ и СК-1, которые используются для из- готовления высокочастотных конденсаторов в радарах, передатчиках и др. Используют также тальконаполненные материалы из полипро- пилена. Миканиты, микафолии используются для изоляции коллек- торов электрических машин, пазовой и витковой изоляции, статор- ных и роторных обмоток, поэтому возникла проблема исследования старения изоляции, разработки методов диагностики ее качества и сроков эксплуатации, их обоснованной замены. В настоящее время развивается технология проводки судов при помощи лазерных створов, совершенствуются оптоволоконные ли- нии связи, что послужило причиной для исследования лазерных кри- сталлов, таких как кристаллы гексагональной модификации иодата лития, в ряде случаев обладающих лучшими характеристиками, чем применяемые кристаллы ниобата лития, и значительно дешевле по- следних. При работе лазера кристаллы подвергаются воздействию мощного электромагнитного излучения, в результате чего в них об- разуются радиационные и ионные дефекты, что влияет на интенсив- ность излучения. В связи с этим необходима диагностика дефектов в материалах, работающих в условиях электромагнитного излучения и радиации, для обоснованной их замены. При использовании изоля- ционных материалов, в частности полимеров, при низких температу- рах они кристаллизуются и становятся хрупкими. В связи с этим не- обходимы новые технологии получения полимеров с низкой темпе- ратурой стеклования. В настоящее время диагностика и проверка качества материалов проводится либо очень долго (до 20 сут), либо с применением элек- трических напряжений, ведущих к возможному пробою или создаю- щих условия для последующего пробоя материала. Некоторые ГОСТы, например ГОСТ 12175–90, устарели и, на наш взгляд, тре- буют пересмотра или замены.
При разработке новых материалов необходимы более точные, де- шёвые, экологически безопасные и простые в исполнении методы ди- агностики для быстрого анализа полученных материалов, что нельзя сказать о таких методах как рентгено-структурный или химический анализы. Разработанные в процессе работы над темой новые методы диагностики и исследования, как правило, в десятки раз дешевле, а в ряде случаев и быстрее существующих, что в целом при широком их применении даст серьёзный вклад в экономию проектно-сметных рас- ходов при разработке новых материалов и средств, необходимых на их диагностику в процессе эксплуатации. В последние 20 лет резко воз- рос интерес к протонным проводникам и полупроводникам, но в ос- новном на основе полимеров, керамики, нанопористых кристаллов, например, алюмосиликатов группы цеолитов с ультратонкими кана- лами диаметром 0,6 нм, бета-глинозём и др. В связи с этим актуальной остаётся проблема исследования диффузии протонов в других кри- сталлических и электроизоляционных материалах. Глубокого комплексного исследования перечисленных материа- лов с использованием всех имеющихся физических методов до сих пор практически не проводилось. Так в одной из работ в журнале Nature Materials за 2008 г. делается вывод, что активное управление протонной проводимостью, очень похожее на транспорт ионов внут- ри клеточных мембран, до сих пор ждёт своей реализации, т.е. не запатентовано. А чтобы такой транспорт был эффективен, диаметры каналов не должны превышать 10 нм при достаточно высокой ион- ной силе раствора. Однако большинство материалов таких каналов не имеют. Поэтому здесь, видимо, логично говорить не о протонной проводимости, а о диффузии протонов вдоль плоской сетки водород- ных связей. В большинстве материалов присутствуют молекулы воды в той или иной концентрации. Однако влияние как самих молекул, так и их производных (ионов H3O+, OH–, комплексов: вакансии с L- или D- дефектами) на релаксационные процессы, транспорт протонов и электрическую проводимость рассматриваются в основном в элек- тролитах. В настоящее время в связи с развитием нанотехнологий в ряде случаев требуется проводить диагностику состояния материалов на наноуровне. Однако все исследования и аппаратура на ремонтных и других предприятиях дают в основном макропараметры, не дающие информации о состоянии кристаллической решётки, наличии и видах дефектов, их концентрации и подвижности. Нет диагностик, позво-
Доступ онлайн
В корзину