Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами
Предложена схема ядерного трансмутационного легирования пленок TiO₂ для смещения фотокаталитического эффекта в видимую часть спектра. Составлена программа расчета концентраций атомов, продуктов реакции облучения тепловыми нейтронами в пленке TiO₂ и приведены результаты расчетов. Определен оптималь...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2004 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81340 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами / В.А. Белоус, И.М. Неклюдов, М.Г. Холомеев, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 175-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81340 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Белоус, В.А. Неклюдов, И.М. Холомеев, М.Г. Шиляев, Б.А. 2015-05-14T19:23:56Z 2015-05-14T19:23:56Z 2004 Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами / В.А. Белоус, И.М. Неклюдов, М.Г. Холомеев, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 175-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81340 539.234; 539.172.4 Предложена схема ядерного трансмутационного легирования пленок TiO₂ для смещения фотокаталитического эффекта в видимую часть спектра. Составлена программа расчета концентраций атомов, продуктов реакции облучения тепловыми нейтронами в пленке TiO₂ и приведены результаты расчетов. Определен оптимальный временной диапазон облучения. Запропоновано схему ядерного трансмутаційнного легування плівок TiО₂ для зсуву фотокаталітичного ефекту у видиму частину спектра. Складено програму розрахунку концентрацій атомів, продуктів реакції опромінення тепловими нейтронами, у плівці TiО₂ та приведені результати розрахунків. Визначено оптимальний часовий діапазон опромінення. Schema of nuclear transmutation doping TiO₂ thin films for photocatalytic effect shift in to visible light region is proposed. Atoms, the products of heat-neutron irradiation process, concentration in TiO₂ films calculation program was created and results are shown. Optimal irradiation time period determinated. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами Ядерне трансмутаційне легування фотокаталітичних плівочних покриттів TiO₂ перехідними 3d-металами Nuclear transmutation doping of photocatalytic TіO₂ film coatings with transition 3D metals Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами |
| spellingShingle |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами Белоус, В.А. Неклюдов, И.М. Холомеев, М.Г. Шиляев, Б.А. Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| title_short |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами |
| title_full |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами |
| title_fullStr |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами |
| title_full_unstemmed |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами |
| title_sort |
ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий tio₂ переходными 3d- металами |
| author |
Белоус, В.А. Неклюдов, И.М. Холомеев, М.Г. Шиляев, Б.А. |
| author_facet |
Белоус, В.А. Неклюдов, И.М. Холомеев, М.Г. Шиляев, Б.А. |
| topic |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| topic_facet |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| publishDate |
2004 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Ядерне трансмутаційне легування фотокаталітичних плівочних покриттів TiO₂ перехідними 3d-металами Nuclear transmutation doping of photocatalytic TіO₂ film coatings with transition 3D metals |
| description |
Предложена схема ядерного трансмутационного легирования пленок TiO₂ для смещения фотокаталитического эффекта в видимую часть спектра. Составлена программа расчета концентраций атомов, продуктов
реакции облучения тепловыми нейтронами в пленке TiO₂ и приведены результаты расчетов. Определен оптимальный временной диапазон облучения.
Запропоновано схему ядерного трансмутаційнного легування плівок TiО₂ для зсуву фотокаталітичного
ефекту у видиму частину спектра. Складено програму розрахунку концентрацій атомів, продуктів реакції
опромінення тепловими нейтронами, у плівці TiО₂ та приведені результати розрахунків. Визначено
оптимальний часовий діапазон опромінення.
Schema of nuclear transmutation doping TiO₂ thin films for photocatalytic effect shift in to visible light region
is proposed. Atoms, the products of heat-neutron irradiation process, concentration in TiO₂ films calculation program was created and results are shown. Optimal irradiation time period determinated.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81340 |
| citation_txt |
Ядерное трансмутационное легирование фотокаталитических пленочных покрытий TiO₂ переходными 3d- металами / В.А. Белоус, И.М. Неклюдов, М.Г. Холомеев, Б.А. Шиляев // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 175-177. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT belousva âdernoetransmutacionnoelegirovaniefotokatalitičeskihplenočnyhpokrytiitio2perehodnymi3dmetalami AT neklûdovim âdernoetransmutacionnoelegirovaniefotokatalitičeskihplenočnyhpokrytiitio2perehodnymi3dmetalami AT holomeevmg âdernoetransmutacionnoelegirovaniefotokatalitičeskihplenočnyhpokrytiitio2perehodnymi3dmetalami AT šilâevba âdernoetransmutacionnoelegirovaniefotokatalitičeskihplenočnyhpokrytiitio2perehodnymi3dmetalami AT belousva âdernetransmutacíineleguvannâfotokatalítičnihplívočnihpokrittívtio2perehídnimi3dmetalami AT neklûdovim âdernetransmutacíineleguvannâfotokatalítičnihplívočnihpokrittívtio2perehídnimi3dmetalami AT holomeevmg âdernetransmutacíineleguvannâfotokatalítičnihplívočnihpokrittívtio2perehídnimi3dmetalami AT šilâevba âdernetransmutacíineleguvannâfotokatalítičnihplívočnihpokrittívtio2perehídnimi3dmetalami AT belousva nucleartransmutationdopingofphotocatalytictío2filmcoatingswithtransition3dmetals AT neklûdovim nucleartransmutationdopingofphotocatalytictío2filmcoatingswithtransition3dmetals AT holomeevmg nucleartransmutationdopingofphotocatalytictío2filmcoatingswithtransition3dmetals AT šilâevba nucleartransmutationdopingofphotocatalytictío2filmcoatingswithtransition3dmetals |
| first_indexed |
2025-11-25T20:25:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:25:30Z |
| _version_ |
1850523216165994496 |
| fulltext |
УДК 539.234; 539.172.4
ЯДЕРНОЕ ТРАНСМУТАЦИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ФОТОКАТАЛИ-
ТИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ TiO2 ПЕРЕХОДНЫМИ 3d-
МЕТАЛАМИ
В.А. Белоус, И.М. Неклюдов, М.Г. Холомеев, Б.А. Шиляев
Институт физики твердого тела, материаловедения и
технологии Национального научного центра “Харьковский
физико-технический институт”,
61108 г.Харьков, ул.Академическая, 1, Украина,
E-mail: mikki@kipt.kharkov.ua
Предложена схема ядерного трансмутационного легирования пленок TiO2 для смещения фотокаталити-
ческого эффекта в видимую часть спектра. Составлена программа расчета концентраций атомов, продуктов
реакции облучения тепловыми нейтронами в пленке TiO2 и приведены результаты расчетов. Определен оп-
тимальный временной диапазон облучения.
ВВЕДЕНИЕ
После обнаружения около 30 лет назад фотоката-
литических свойств оксида титана, это полупровод-
никовое соединение находит все большее примене-
ние в качестве фотокатализатора как в виде порош-
ка, так и в пленочном виде [1]. Привлекательность
эффекта фотокатализа заключается в отсутствии до-
полнительных искусственных источников энергии –
достаточно солнечного света. В случае с TiO2 облу-
чаемый свет должен обладать длиной волны короче
380 нм. Энергии квантов такого излучения доста-
точно для перевода электронов полупроводника из
валентной зоны в зону проводимости, т.е. образова-
ния электрон-дырочной пары. Электроны и дырки
мигрируют к поверхности полупроводника и, иони-
зируя адсорбированные молекулы, инициируют
процессы их окисления и разложения. В частности,
в результате ионизации молекулы воды распадаются
на ион Н+ и сильнейший радикал ОН-, которые, в
свою очередь, вступают в химические реакции с
другими соединениями, находящимися на поверхно-
сти. Таким образом, возможно разложение веществ,
загрязняющих окружающую среду, которые попада-
ют на поверхность фотокатализатора. Фотокатали-
тические материалы также обладают бактерицид-
ным эффектом [2].
Однако широкое применение оксида титана в ка-
честве катализатора в значительной мере сдержива-
ется тем обстоятельством, что его фотокаталитиче-
ские свойства проявляются лишь при облучении
светом с длиной волны короче 380 нм (ультрафиоле-
товая область), что составляет 3 % энергии всего
спектра солнечного излучения. Подобное ограниче-
ние по длине волны обусловлено большой шириной
запрещенной зоны этого полупроводни-
ка Е=3...3,2 эВ.
Для придания фотокаталитических свойств окси-
ду титана в видимом диапазоне спектра это соедине-
ние легируют переходными металлами V, Fe, Cr, Ni,
Co [3]. Этот процесс осуществляется либо химиче-
ским путем, либо ионной имплантацией [4,5]. Вве-
дение в структуру нанокристаллитов диоксида тита-
на атомов переходных 3d-элементов
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 6.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14), с. 175-177.
175
Рис.1.Схема дополнительных энергетических
уровней в запрещенной зоне полупроводника,
созданных внедренными атомами [6]
приводит к образованию акцепторных и донорных
уровней в запрещенной зоне (рис.1), изменению по-
ложения в ней уровня Ферми и сдвигу фоточустви-
тельности TiO2 в видимую часть спектра. При этом
снижаются энергетические затраты на активацию
химических реакций разложения органических и
неорганических соединений, присутствующих в ат-
мосфере и загрязняющих её, при их контакте на по-
верхности пленочных TiO2-покрытий.
При химических методах внедрения переходных
металлов (золь-гель метод, химические выпарива-
ние и анодирование) локализация внедренных ато-
мов осуществляется не в кристаллитах, а в межкри-
сталлитном пространстве в виде кластеров [3,7],
что, в свою очередь, отрицательно сказывается на
эффекте фотокатализа. Метод ионной имплантации
на сегодняшний день дает наилучшие результаты
при переводе эффекта фотокатализа в видимую
часть спектра [3]. Отжиг образцов, как обязатель-
ный этап высокоэнергетической имплантации, поз-
воляет сформировать требуемую электронную
структуру легированного материала и структуру
запрещенной зоны. Однако и он не позволяет нам
сосредоточить большинство внедренных атомов в
узлах решетки.
Предлагаемый нами метод ядерно-трансмутаци-
онного легирования позволит получить атомы вне-
дрения различных материалов, локализованные в
узлах решетки обрабатываемых пленок TiO2, полу-
ченных ионно-плазменным методом. Вследствие
трансмутации Ti в ядерных реакциях с фотонами
тормозного излучения электронов с энергией ≥
20 МэВ, протонами с энергией 15…20 МэВ, бы-
стрыми и тепловыми нейтронами образуются в ка-
честве продуктов реакции атомы всех переходных
3d-элементов от Sc до Zn.
Преимущество метода заключается в локализа-
ции продуктов трансмутации в кристаллите, а не в
межкристаллитном пространстве, как это происхо-
дит при химическом легировании. Это в последнем
случае обусловлено тем, что нанокристаллическая
структура TiO2 имеет сравнимые объемы нанокри-
сталлитов и межкристаллитного пространства [8].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Расчеты проводились для наноструктурных
пленок TiO2 (анатаза), получаемых методом вакуум-
но-дугового осаждения. Данный метод позволяет
широко варьировать параметры получения пленок,
такие как давление кислорода в камере, ток дуги,
напряжение на подложке.
На рис.2 показана схема последовательных
превращений изотопов титана в ядерных реакциях
под действием облучения тепловыми нейтронами.
Концентрация ядер-продуктов рассчитана реше-
нием системы дифференциальных уравнений Бате-
мана, описывающих эти процессы [9]:
( ) ( )∏ ∑ ∏
−
= = ≠
λ−λλ−λ=
1i
1k
i
1k kn
knkk
0
1i texpNN ,
где λ - постоянная скорости ядерной реакции транс-
мутации и равна λ=σФ, где σ - сечение захвата ней-
трона; Ф - плотность потока нейтронов; t - время об-
лучения; Ni – концентрация i-го элемента-продукта
реакций трансмутации. Значения λ, используемые в
расчетах, вычислены для нейтронного реактора CМ-
176
10-3
0.1
1
48Ti
51V
52Cr
55Mn t
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8.64·10 4
6.048·10 5
2.6297·10 6
5.2594·10 6
7.8891·10 6
1.57785·10 7
2.36673·10 7
3.1557·10 7
=
1 м
ес
яц
2 м
ес
яц
а
3 м
ес
яц
а
6 м
ес
яц
ев
9 м
ес
яц
ев
12
м
ес
яц
ев
10-5
10-7
10-9
10-11
10-13
10-15
Рис.3. Расчетная относительная концентрация
изотопа титана 48Ti и некоторых легирующих
элементов в пленке TiO
2
полученных в
результате ядерно-трансмутационной реакцииTi46
22 Ti47
22 Ti48
22 Ti49
22 Ti50
22 Ti51
22
V51
23 V52
23
Cr52
24
Ti46
22
Cr52
24 Cr52
24 Cr52
24
Mn55
25 Mn55
25
−β
−β
−β
n n n n n
n
n n n
n
−β
Fe56
26 Fe57
26 Fe58
26 Fe59
26
−β
n n n
Co59
27 Co60
27
n
−β
Ni60
28
Рис.2. Схема радиационных
превращений при облучении TiO
2
тепловыми нейтронами
2 с плотностью потока частиц Фт=5,5×
1015 нейтор./(см2⋅сек). В результате расчетов, прове-
денных в среде программы Mathcad 2000, получены
концентрации трансмутационных атомов вплоть до
Ni. На рис.3 изображены расчетный график относи-
тельной концентрации изотопов титана и легирую-
щих элементов в пленке TiO2 имеющих наибольшие
концентрации. Нулевой точкой отсчета времени на
графике представлена неделя.
Исходя из ранее опубликованных данных о кон-
центрации имплантированных ионов ~1019 ион/см3
[10] и получив концентрацию атомов Ti в пленке
анатазы равной ~1022 ион/см3, мы можем сделать вы-
вод что, оптимальным сроком обработки образцов
тепловыми нейтронами является период времени
продолжительностью до 1 месяца. Более точно
определить временной интервал должны помочь
эксперименты.
ВЫВОДЫ
Предложена схема ядерного трансмутационного
легирования пленок TiO2 для смещения фотокатали-
тического эффекта на их поверхности в видимую
часть спектра. Для нейтронного реактора СМ-2 раз-
работана схема радиационных превращений изото-
пов титана в легирующие элементы. Рассчитаны от-
носительные концентрации последних до Ni. Опре-
делен временной интервал облучения пленок диок-
сида титана.
Хотя определенный нами временной интервал
довольно таки велик, можно надеяться, что при оп-
тимизации наноструктуры пленок этот интервал
можно существенно сократить.
Практические исследования ядерного трансмута-
ционного легирования пленок TiO2 для смещения
фотокаталитического эффекта на их поверхности в
видимую часть спектра являются темой для даль-
нейших исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Белоус, И.В. Заливадная. Функциональные
покрытия на стеклах // Материалы Харьковской
научной ассамблеи. 2003, с.148-152.
2. D.A.Tryk, A.Fujishima, K.Honda. Resrnt Topics in
photoelectrochemistry: achievements and future
prospects//Electrochimica Acta. 2000, v.45, p.2363-
2376.
3. M.Anpo, M.Takeuchi. The design and development
of highly reactive titanium oxide photocatalyst op-
erating under visible light irradiation // Journal of
Catalysis. 2003, v,216, с.505-516.
4. H.Yamashita, Y.Ichihashi, V.Takeuchi, S.Kishi-
gushi, M.Anpo // J.Synchrotron Rad. 1999, v.6,
p.451-452.
5. J.M.Herrman, J.Disdier, P.Pichat // Chem. Phys.
Lett.. 1984, v.108, р.618-622.
6. T.Umebayashi, T.Yamaki, H.Itoh, K.Asai. Analysis
of electronic structures of 3d transition metal-doped
TiO2 based on band calculation // Journal of
Ph&Chem. of Solids. 2002, v.63, p.1909-1920.
7. Л.Н.Лариков.// Металлофизика и новейшие тех-
нологии. 1995, т.17, №1, с.3-9.
8. Н.П.Лякишев // Вестник РАН. 2003, 73, №5,
с.422-425.
9. H.Bateman. The solution of system of differential
equation occurring in the theory of radio-active
transformation // Proc.Cambridge Phil.Soc. 1910,
v.15, p.423-435.
10. T.Sumita, T.Yamaki, S.Yamamoto, A
Miyashita. Ion-Beam Modification of photo-
induced charge separation in TiO2 films // Nu-
clear Instruments and Methods in Physics Re-
search. 2003, v.B 206, p.245-248.
ЯДЕРНЕ ТРАНСМУТАЦІЙНЕ ЛЕГУВАННЯ ФОТОКАТАЛІТИЧНИХ
ПЛІВОЧНИХ ПОКРИТТІВ TiO2 ПЕРЕХІДНИМИ 3d-МЕТАЛАМИ
В.А. Білоус, І.М. Нєклюдов, М.Г. Холомєєв, Б.А. Шиляєв
Запропоновано схему ядерного трансмутаційнного легування плівок TiО2 для зсуву фотокаталітичного
ефекту у видиму частину спектра. Складено програму розрахунку концентрацій атомів, продуктів реакції
опромінення тепловими нейтронами, у плівці TiО2 та приведені результати розрахунків. Визначено
оптимальний часовий діапазон опромінення.
NUCLEAR TRANSMUTATION DOPING OF PHOTOCATALYTIC
TіO2 FILM COATINGS WITH TRANSITION 3D METALS
V.A.Belous, I.M. Neklyudov, M.G. Holomeev, B.A. Shiljaev
Schema of nuclear transmutation doping TiO2 thin films for photocatalytic effect shift in to visible light region
is proposed. Atoms, the products of heat-neutron irradiation process, concentration in TiO2 films calculation pro-
gram was created and results are shown. Optimal irradiation time period determinated.
177
ЛИТЕРАТУРА
|