Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла
Electrophysical properties of new composite materials based on nanocrystalline silver sulphide, polychlortrifluoroethylene and highly dispersed silica have been studied. Relationship between values valid and imaginary components of complex dielectric permittivity and concentration of the Ag2S for sy...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2011
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/443 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291574156853248 |
|---|---|
| author | Prokopenko, S. L. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. |
| author_facet | Prokopenko, S. L. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "S. L. Prokopenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "S. N. Makhno",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "P. P. Gorbyk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Prokopenko, S. L. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:38:50Z |
| description | Electrophysical properties of new composite materials based on nanocrystalline silver sulphide, polychlortrifluoroethylene and highly dispersed silica have been studied. Relationship between values valid and imaginary components of complex dielectric permittivity and concentration of the Ag2S for systems PCTFE–Ag2S, PCTFE–Ag2S/SіO2 and PCTFE/Ag2S within microwave band were found. The determined values of percolation threshold for such systems make 0,2, 0,12, and 0,1 volume parts of Ag2S respectively. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:33:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
Поверхность. 2011. Вып. 3(18). С. 161–165 161
УДК 537.31+546.05
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ
НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СУЛЬФИДА СЕРЕБРА
С.Л. Прокопенко, С.Н. Махно, П.П. Горбик
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина, sprokop@yandex.ru
Исследованы электрофизические свойства новых композиционных материалов на основе
нанокристаллического сульфида серебра, полихлортрифторэтилена (ПХТФЭ) и
высокодисперсного кремнезема. Получены зависимости действительной и мнимой
составляющих комплексной диэлектрической проницаемости от объемного содержания Ag2S
для систем ПХТФЭ–Ag2S, ПХТФЭ–Ag2S/SіO2 и ПХТФЭ/Ag2S в сверхвысокочастотном
диапазоне. Определены пороги перколяций для указанных систем, значения которых
составляют 0,2, 0,12, и 0,1 объемных долей Ag2S, соответственно.
Введение
Полупроводник с узкой запрещенной зоной – сульфид серебра – имеет высокую
химическую стабильность [1] и обладает уникальными оптическими свойствами. Он
используется в оптических и электронных устройствах, таких как фотоэлектрические
преобразователи, фотопроводники, датчики инфракрасного излучения (ИК) [2, 3],
суперионные проводники [4], широко используется в ионоселективных электродах [5].
Весьма перспективно использование полупроводниковых свойств Ag2S в
термоэлектрических устройствах. Использование низкотемпературной фазы α-Ag2S с
моноклинной кристаллической решеткой возможно приблизительно до 449 K, после
чего происходит переход в β-Ag2S с кубической кристаллической решеткой [6].
Целью данной работы было установить зависимость электрофизических свойств
композита на основе нанокристаллического Ag2S от концентрации наполнителя и от
метода получения композита.
Экспериментальная часть
Для исследования композитов на основе сульфида серебра разработана и
оптимизирована методика синтеза нанокристаллического Ag2S. Синтез проводили
методом одноструйной кристаллизации, медленно приливая с постоянной скоростью
раствор тиосульфата натрия (20 ммоль/л) в раствор AgNO3 (35 ммоль/л).
Стехиометрическое соотношение Ag:S составляло 2:1. В раствор AgNO3 предварительно
вносили высокодисперсный кремнезем марки А-300 либо гидрофилизированный
полихлортрифторэтилен (ПХТФЭ) и обрабатывали на ультразвуковом диспергаторе
УЗДН-А в течении 2 мин. Синтез осуществлялся при постоянной скорости
перемешивания и постоянной температуре 338 K в термостате. Поверхность
дисперсного полихлортрифторэтилена Ф-3М марки А с размером частиц до 400 нм
гидрофилизировали с помощью хлорсиланов.
На основе синтезированного нанокристаллического Ag2S исследовано три системы.
Система ПХТФЭ–SiO2/Ag2S получена путем смешивания дисперсных порошков
Ag2S/SiO2 и ПХТФЭ при тщательном перемешивании до образования гомогенной смеси
с последующим прессованием при температуре расплава полимера. Система
ПХТФЭ/Ag2S получена прессованием из расплава полимера синтезированного
mailto:sprokop@yandex.ru
162
композита, в котором Ag2S был высажен на поверхность гидрофилизированных частиц
ПХТФЭ. Система ПХТФЭ–Ag2S получена прессованием при температуре расплава
полимера гомогенной смеси дисперсных порошков Ag2S и ПХТФЭ.
Для определения наличия в системе кристаллической структуры Ag2S и размеров
кристаллитов использовали рентгеноструктурный анализ. Рентгенограммы
регистрировали на дифрактометре ДРОН-4-07 в излучении медного катода с никелевым
фильтром в отраженном пучке при геометрии съемки по Бреггу – Брентано
(идентификацию фаз по рентгенограммам проводили с использованием картотеки
JCPDS (объединенный комитет дифракционных стандартов)).
Электропроводность на низких частотах (0,1; 1 и 10 кГц) определяли
двухконтактным методом при помощи измерителя иммитанса Е7-14, а действительную e ¢
и мнимую e ¢¢ составляющие комплексной диэлектрической проницаемости в
сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне с помощью интерферометра на частоте 9 ГГц [7].
Результаты и их обсуждение
Проведенный рентгенофазовый анализ синтезированных образцов показал, что на
рентгенограммах присутствуют рефлексы, соответствующие моноклинному α-Ag2S
(номер карточки JCPDS 14–72). Размер кристаллитов составляет 35–55 нм.
Полученные температурные зависимости электропроводности системы ПХТФЭ–
SiO2/Ag2S в температурном диапазоне 303–473 K приведены на рис. 1.
300 330 360 390 420 450 480
-10
-8
-6
-4
-2
0
lg s
1
2
3
4
5
T, K
Рис.1. Температурные зависимости
логарифма электропроводности
системы ПХТФЭ–SiO2/Ag2S при
объемной доле Ag2S: 1 – 0,046, 2 –
0,055, 3 – 0,116, 4 – 0,141, 5 – 0,205.
Для композитов ПХТФЭ–SiO2/Ag2S, содержащих 0,046 и 0,055 объемных долей (θ)
сульфида серебра (кривые 1 и 2 на рис. 1), фазовый переход при температуре 449 K из
моноклинной кристаллической решетки в кубическую не наблюдается. Однако для
образца с объемным содержанием 0,046 сульфида серебра, в котором высокодисперсный
кремнезем составляет 0,56 объемной доли, при нагреве отмечается возрастание σ до
температуры 80ºС за счет увеличения подвижности ионов H+ и OH¯, сорбированой на
межфазной поверхности воды. При дальнейшем росте температуры наблюдается спад σ
за счет десорбции воды в области температуры 373 K и выше (кривая 1). Для образца с
объемным содержанием 0,055 Ag2S, в котором объемная доля высокодисперсного
кремнезема составляет 0,2, рост электропроводности происходит до температуры 443 K,
а затем происходит уменьшение проводимости на порядок. Такое поведение при
изменении температуры указывает на повышенную пористость композитов в
присутствии значительного количества SiO2. Для указанных образцов отсутствует
скачок электропроводности при T=449 K. Это может быть связано с тем, что уровень
электропроводности ионов воды в данных образцах выше дырочной
электропроводности Ag2S с учетом отсутствия непрерывных кластеров из частичек
полупроводников в системе. При дальнейшем увеличении концентрации Ag2S в
163
образцах системы ПХТФЭ–SiO2/Ag2S, на температурных зависимостях наблюдается
резкое увеличение значения электропроводности при температуре 449 K, что
соответствует фазовому переходу Ag2S из α- в β- фазу.
Зависимости электропроводности системы ПХТФЭ/Ag2S, полученной путем
химического модифицирования поверхности полимера, от температуры приведены на
рис. 2. Сравнивая температурную зависимость электропроводности системы ПХТФЭ–
SiO2/Ag2S (рис. 1) с системой ПХТФЭ/Ag2S (рис. 2) можно отметить, что в системе
ПХТФЭ/Ag2S наблюдаются более высокие значения электропроводности во всем
диапазоне температур. Это связано, по-видимому, с более равномерным распределением
частиц Ag2S по объему образцов в системе ПХТФЭ/Ag2S. Увеличение
электропроводности при T=449 K, соответствующее фазовому переходу, наблюдается
для всех исследованных композитов.
300 330 360 390 420 450 480
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
lg s
1
2
3
4
5
T, K
Рис. 2. Температурные зависимости
логарифма электропроводности
систем ПХТФЭ/Ag2S при объемной
доле Ag2S: 1 – 0,105, 2 – 0,154, 3 –
0,215, 4 – 0,5, 5 – 0,65.
Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости систем ПХТФЭ/Ag2S,
ПХТФЭ–SiO2/Ag2S и ПХТФЭ–Ag2S от содержания Ag2S приведена на рис. 3. Наиболее
высокие значения как действительной, так и мнимой составляющих комплексной
диэлектрической проницаемости, при одинаковом содержании наночастиц Ag2S
наблюдается для системы ПХТФЭ/Ag2S. Наиболее низкие значения e ¢ и e ¢¢ имеет
система ПХТФЭ–Ag2S, полученная путем механического смешивания компонентов. Это
связано с крупными размерами частиц наполнителя в системе. Неравномерное
распределение частиц в образцах системы ПХТФЭ–Ag2S и их агрегация в процессе
изготовления образцов не позволяет достичь высоких значений. Осаждение Ag2S на
поверхность SіO2 позволяет уменьшить размер частиц полупроводника, что приводит к
увеличению значений e ¢ и e ¢¢ (рис. 3а, б, кривая 1). Более эффективно проводить синтез
наночастиц на гидрофилизированном ПХТФЭ, что позволяет уменьшить размер частиц
Ag2S и равномерно распределить их в объеме полимера уже без участия
высокодисперсного диэлектрика SіO2. Вследствие этого, по сравнению с системой
ПХТФЭ–Ag2S/SiO2 увеличиваются значения ε' и ε'' в системе ПХТФЭ/Ag2S, так как
отсутствуют изолирующие частицы SіO2, обрывающие электропроводящие цепи из
наночастиц полупроводника. К достоинствам системы ПХТФЭ/Ag2S относится более
полное покрытие полимером частичек Ag2S, что предотвращает попадание влаги.
На концентрационной зависимости σ (рис. 4) наблюдаются резкие увеличения
значений, соответствующие порогам перколяции рассмотренных систем. Для ПХТФЭ–
Ag2S/SіO2 и ПХТФЭ–Ag2S значения порога перколяции составляют 0,12 и 0,2 объемных
частей соответственно. Для системы ПХТФЭ/Ag2S значения порога перколяции
несколько меньше 0.1.
164
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
2
4
6
8
10
12
14
16
e'
Q
1
2
3
а
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0
2
4
6
8
10
12
e''
Q
1
2
3
б
Рис. 3. Зависимость e ¢ (а) и e ¢¢ (б) от содержания нанокристаллического Ag2S в
системах: 1 – ПХТФЭ/Ag2S, 2 – ПХТФЭ–Ag2S/SiO2, 3 – ПХТФЭ–Ag2S.
Температурные зависимости e ¢ и e ¢¢ системы ПХТФЭ/Ag2S на частоте 9 ГГц
приведены на рис.5. Для композитов с содержанием Ag2S 0,154 и 0,215 при увеличении
температуры изменения значений e ¢ и e ¢¢ незначительны. Их значения существенно
увеличиваются только при достижении температур близких к температуре фазового
перехода Ag2S. С увеличением объемного содержания Ag2S в композите до 0,29
наблюдается заметное увеличение значений e ¢ и e ¢¢ . Это объясняется ростом
электропроводности частиц наполнителя.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
lg s
1
2
3
4
Q
5
6
Рис. 4. Зависимость логарифма электро-
проводности систем: ПХТФЭ/Ag2S
(1, 2), ПХТФЭ–SiO2/Ag2S (3, 4),
ПХТФЭ–Ag2S (5, 6) при объемной
доле Ag2S: 1, 3, 5 – 200ºС, 2, 4, 6 –
30ºС.
300 330 360 390 420 450 480
0
10
20
30
40
50
e'
T, K
1
2
3
а 300 330 360 390 420 450 480
0
30
60
90
120
150
180
e''
1
2
3
T, K
б
Рис. 5. Температурная зависимость e ¢ (а) и e ¢¢ (б) для композитов ПХТФЭ/Ag2S на
частоте 9 ГГц при объемной доле Ag2S: 1 – 0,154, 2 – 0,215, 3 – 0,29.
Полученные температурные зависимости имеют линейный характер в координатах
lg σ = f(1/T) до фазового перехода, что указывает на выполнение термодинамических
условий в системе согласно уравнению
kT
W
eCT
D
-
= 2/3s ,
где ∆W - значение ширины запрещенной зоны, k – постоянная Больцмана, С – константа,
независящая от температуры.
Полученные результаты исследований указывают на возможность
контролируемым образом изменять e ¢ и e ¢¢ композитов в широком интервале значений.
165
Выводы
Исследованы электрофизические свойства композиционных материалов на основе
нанокристаллического Ag2S, полученных жидкофазным осаждением наночастиц Ag2S на
поверхности дисперсного полихлортрифторэтилена, что дало возможность увеличить
значения e ¢ и e ¢¢ в СВЧ – диапазоне, уменьшить значение порога перколяции системы.
Исследования температурной зависимости комплексной диэлектрической
проницаемости системы ПХТФЭ/Ag2S на частоте 9 ГГц указывает на возможность
прогнозируемого изменения поглощающей способности композитов.
Авторы благодарят к.х.н. Мищенко В.Н. (Институт химии поверхности им.
А.А.Чуйко НАН Украины) за ценные рекомендации по гидрофилизации частиц
полихлортрифторэтилена.
Литература
1. Самсонов Г.В., Дроздова С.В. Сульфиды. – Москва: Металлургия, 1972. – 304 с.
2. Hodes G., Manassen J., Cahen D. Photoelectrochemical Energy Conversion and Storage
Using Polycrystalline Chalcogenide Electrodes // Nature. – 1976. – V. 261. – P. 403–404.
3. Eneva J., Haefke H., Kitova S., Panov A. Infrared photography based on vapour-deposited
silver sulfide films // J. Imag. Sci. Techn. – V. 38. – P. 484–488.
4. Hull S., Keen D.A., Sivia D.S. The high-temperature superionic behaviour of Ag2S // J. Phys.
Condens. Matter. – 2002. – V. 14. – P. 9–17.
5. Корыта И., Штулик К. Ионоселективные электроды. – Москва: Мир, 1989. – 272 с.
6. Sadanaga R., Sueno S. X-Ray study on the alpha-beta transition of Ag2S // Mineralogical
Journal. – 1967. – V. 5. – P. 124–148.
7. Ганюк Л.Н., Игнатков В.Д., Махно С.Н. Исследование диэлектрических свойств
волокнистого материала // Укр. физ. журн. – 1995. – Т. 40, № 6. – С. 627–629.
ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ
НА ОСНОВІ НАНОКРИСТАЛІЧНОГО СУЛЬФІДУ СРІБЛА
С.Л. Прокопенко, С.М. Махно, П.П. Горбик
Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна, sprokop@yandex.ru
Досліджено електрофізичні властивості нових композиційних матеріалів на основі
нанокрісталічного сульфіду срібла, поліхлортрифторетилену та високодисперсного
кремнезему. Отримано залежності дійсної і уявної складових комплексної діелектричної
проникності від об'ємного змісту Ag2S для систем ПХТФЕ–Ag2S, ПХТФЕ–Ag2S/SіО2 та
ПХТФЕ/Ag2S у надвисокочастотному діапазоні. Визначено пороги перколяцій для зазначених
систем, значення яких становлять 0,2, 0,12, та 0,1 об'ємних часток Ag2S, відповідно.
ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF COMPOSITES
BASED ON NANOCRYSTALLINE SILVER SULPHIDE
S.L. Prokopenko, S.N. Makhno, P.P. Gorbyk
Chuiko Institute of Surface Chemistry of National Academy of Sciences of Ukraine
17 General Naumov Str., Kyiv, 03164, Ukraine, sprokop@yandex.ru
Electrophysical properties of new composite materials based on nanocrystalline silver sulphide,
polychlortrifluoroethylene and highly dispersed silica have been studied. Relationship between values
valid and imaginary components of complex dielectric permittivity and concentration of the Ag2S for
systems PCTFE–Ag2S, PCTFE–Ag2S/SіO2 and PCTFE/Ag2S within microwave band were found. The
determined values of percolation threshold for such systems make 0,2, 0,12, and 0,1 volume parts of
Ag2S respectively.
mailto:sprokop@yandex.ru
mailto:sprokop@yandex.ru
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-443 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:12:13Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/c9/45253bdcc32d88d1b8437aef124219c9.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-4432018-11-27T09:38:50Z Electrophysical properties of composites based on nanocrystalline silver sulphide Электрофизические свойства композиционных материалов на основе нанокристаллического сульфида серебра Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла Prokopenko, S. L. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. Electrophysical properties of new composite materials based on nanocrystalline silver sulphide, polychlortrifluoroethylene and highly dispersed silica have been studied. Relationship between values valid and imaginary components of complex dielectric permittivity and concentration of the Ag2S for systems PCTFE–Ag2S, PCTFE–Ag2S/SіO2 and PCTFE/Ag2S within microwave band were found. The determined values of percolation threshold for such systems make 0,2, 0,12, and 0,1 volume parts of Ag2S respectively. Исследованы электрофизические свойства новых композиционных материалов на основе нанокристаллического сульфида серебра, полихлортрифторэтилена (ПХТФЭ) и высокодисперсного кремнезема. Получены зависимости действительной и мнимой  составляющих комплексной диэлектрической проницаемости от объемного содержания Ag2S для систем ПХТФЭ–Ag2S, ПХТФЭ–Ag2S/SіO2 и ПХТФЭ/Ag2S в сверхвысокочастотном диапазоне. Определены пороги перколяций для указанных систем, значения которых составляют 0,2, 0,12, и 0,1 объемных долей Ag2S, соответственно. Досліджено електрофізичні властивості нових композиційних матеріалів на основі нанокрісталічного сульфіду срібла, поліхлортрифторетилену та високодисперсного кремнезему. Отримано залежності дійсної і уявної складових комплексної діелектричної проникності від об'ємного змісту Ag2S для систем ПХТФЕ–Ag2S, ПХТФЕ–Ag2S/SіО2 та ПХТФЕ/Ag2S у надвисокочастотному діапазоні. Визначено пороги перколяцій для зазначених систем, значення яких становлять 0,2, 0,12, та 0,1 об'ємних часток Ag2S, відповідно. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2011-08-29 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/443 Surface; No. 3(18) (2011): Surface; 161-165 Поверхность; № 3(18) (2011): Поверхность; 161-165 Поверхня; № 3(18) (2011): Поверхня; 161-165 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/443/442 Авторське право (c) 2011 S.L. Prokopenko, S.N. Makhno, P.P. Gorbyk |
| spellingShingle | Prokopenko, S. L. Makhno, S. N. Gorbyk, P. P. Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title | Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title_alt | Electrophysical properties of composites based on nanocrystalline silver sulphide Электрофизические свойства композиционных материалов на основе нанокристаллического сульфида серебра |
| title_full | Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title_fullStr | Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title_full_unstemmed | Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title_short | Електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| title_sort | електрофізичні властивості композиційних матеріалів на основі нанокристалічного сульфіду срібла |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/443 |
| work_keys_str_mv | AT prokopenkosl electrophysicalpropertiesofcompositesbasedonnanocrystallinesilversulphide AT makhnosn electrophysicalpropertiesofcompositesbasedonnanocrystallinesilversulphide AT gorbykpp electrophysicalpropertiesofcompositesbasedonnanocrystallinesilversulphide AT prokopenkosl élektrofizičeskiesvojstvakompozicionnyhmaterialovnaosnovenanokristalličeskogosulʹfidaserebra AT makhnosn élektrofizičeskiesvojstvakompozicionnyhmaterialovnaosnovenanokristalličeskogosulʹfidaserebra AT gorbykpp élektrofizičeskiesvojstvakompozicionnyhmaterialovnaosnovenanokristalličeskogosulʹfidaserebra AT prokopenkosl elektrofízičnívlastivostíkompozicíjnihmateríalívnaosnovínanokristalíčnogosulʹfídusríbla AT makhnosn elektrofízičnívlastivostíkompozicíjnihmateríalívnaosnovínanokristalíčnogosulʹfídusríbla AT gorbykpp elektrofízičnívlastivostíkompozicíjnihmateríalívnaosnovínanokristalíčnogosulʹfídusríbla |