close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследовательская работа Зайцевой Л.

код для вставкиСкачать

Департамент образования Вологодской области
Бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
"Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова"
Направление: техническое
ТЕМА "Использование свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях"
Автор:
Зайцева Лолита
Студентка группы МЭ-31
Специальность: 140613(1806) "Техническая Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования"
Научный руководитель:
Дилигенская Н.М. (преподаватель спец. дисциплины)
Г. Череповец
2012
Оглавление
Введение 3
1. Историческая справка о предмете исследования 4
2. Нанотехнологии и их содержание 5
3. Пьезоэлектрики и их свойства 5
3.1. Способы управления свойствами активных диэлектриков 5
3.2. Генерирование электрического поля в пространство 7
3.3.Пьезоэлектрики в нанотехнологиях 8
4. Заключение. Социальная оценка исследования 9
5. Список используемой литературы 10
Введение
Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий -температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах [3] . Нанотехнология и молекулярная технология - новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны.
Актуальность работы на тему "Использование свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях" заключается в том, что хотя исследование и носит теоретический характер, результаты его дают возможность рассмотреть перспективы применения в промышленности.
Цель работы: заключается в исследовании свойств активных диэлектриков для использования их в нанотехнологиях. Задачи, поставленные перед выполнением работы:
1. Найти источники с необходимой и доступной информацией;
2.Проанализировать полученную информацию по теме "Использование свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях"; 3.Изучить одну из узких тем по дисциплине "Материаловедение";
4. Исследовать виды активных диэлектриков;
5. Выявить социальную оценку исследования по теме;
Проблема исследования заключается в определении таких свойств активных диэлектриков, которые возможно применить в нанотехнологиях.
Объект исследования: активные диэлектрики и их свойства.
Предмет исследования: возможность использования свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях.
Гипотеза исследования : Если эксплуатировать активные диэлектрики с учётом их свойств , то это позволит применять их в нанотехнологиях..
Научно-практическая значимость исследования:
1.Определены основные свойства активных диэлектриков;
2. Проанализированы природа свойств пьезоэлектриков;
3. Показаны значения свойств пьезоэлектриков для возможного использования их в нанотехнологиях;
4. Выявлена социальная оценка исследования по теме "Использование свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях"; Работа состоит из введения, из трех глав, заключения, социальной оценки, списка используемой литературы.Во введении показана актуальность исследований, определены цели и задачи, предмет исследований, обозначена проблема исследования. В первой главе представлена историческая справка о предмете исследования. Вторая глава содержит информацию о нанотехнологиях, определено направление развития современной техники. Третья глава посвящена описанию пьезоэлектриков, способам управления свойствами активных диэлектриков. В заключении сделаны выводы о возможностях применения активных диэлектриков в нанотехнологиях. Список литературы составляет источников. 1. Историческая справка о предмете исследования В 1880г. Пьером и Жаком Кюри было открыто явление, которое получило название пьезоэлектрического эффекта. Суть его заключается в том, что в некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Сегнетоэлектричество было открыто в 1921г Валашеком в сегнетовой соли. В настоящее время известно уже более 700 веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Свойства сегнетовой соли были всесторонне исследованы И.В. Курчатовым совместно с П.П. Кобеко в начале тридцатых годов двадцатого века [ 8]. Монокристаллы сегнетовой соли нашли широкое применение для изготовления различных приборов в годы Великой Отечественной войны, однако, в настоящее время сегнетова соль утратила свое техническое значение из-за низкой влагостойкости и низких механических свойств. Очень интенсивно начали развиваться фундаментальные и прикладные работы по сегнетоэлектричеству после открытия Б.М. Вулом (1944 г.) сегнетоэлектрических свойств титаната бария BаTiO3. Интерес к другому активному диэлектрику - электрету увеличился в 40-е гг. ХХ в. В 60-70-е гг. появляются основополагающие работы Б.Гросса. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик - вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ [ 7]. В конце 1960-х- - начале 1970-х годов в России были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентоспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях, клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях, электрических печатающих машинках. 2. Нанотехнологии и их содержание
Нанотехнология - это сочетение методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям. Развитие современной техники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология - следующий логический шаг развития техники, электроники и других наукоёмких производств.
3. Пьезоэлектрики и их свойства
3.1. Способы управления свойствами активных диэлектриков К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Строгая классификация активных диэлектриков невозможна, поскольку один и тот же материал может проявлять признаки различных активных диэлектриков. Так, сегетоэлектрики часто сочетают свойства пьезоэлектриков (Рис.1). Например, сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией, направление которой можно изменять действием внешнего электрического поля [ 8]. Первые эксперименты с пьезоэлектриками уже начались в Японии. За рубежом сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками, поскольку сегнетоэлектрики являются формальными аналогами ферромагнетиков.
Рис.1. Изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков от температуры
При отсутствии внешнего электрического поля, сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией ( Рис.2). В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены - области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I ( Рис. 2).
Рис. 2. Кривая поляризации сегнетоэлектрика Электреты, также активные диэлектрики, способны длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле. Электреты применяются для изготовления телефонов, дозиметров радиации и влажности. К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, т.е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменятся, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ - излучения.
3.2. Генерирование электрического поля в пространство
Пьезоэлектрики - диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля [4]. Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления .Это значит, что при данной деформации знак заряда зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по внутренней. Такие оси с неравноправными концами получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью (Рис.3).
Рисунок 3. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси
Кварцевые резонаторы, представляющие собой полированные кварцевые пластинки с электродами и держателем, имеют очень малый tg и высокую механическую добротность ( т.е. малые механические потери). Механическая добротность ( величина, обратная tg ) в кварцевых резонаторах может достигать 106...107 .
Кроме кварца, в различных пьезопреобразователях, используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и таталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, получаемая в основном из твердых растворов цирконата - титаната свинца PbZrO3 - PbTiO3 (ЦТС). Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами - возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др. [2 ] .
Из опытов известно, что пьезоэлектрик цирконат-титанат свинца (PZT) демонстрирует прекрасную эффективность преобразования, в отдельных случаях превышающую 80%. По своим характеристикам он заметно превосходит органические полимеры. К сожалению, получение образцов PZT проходит на жесткой подложке при высокой температуре (600-700 ˚C), а на практике требуются гибкие материалы (Рис. 4). Ученые стандартным способом получали полоски PZT толщиной 500 нм и шириной 5 мкм на подложке из оксида магния. Поле этого заготовку погружали в раствор фосфорной кислоты, под действием которой связь полосок с подложкой нарушалась. На завершающем этапе эксперимента массивы полосок переносились на гибкий образец полидиметилсилоксана (PDMS) толщиной 2,5-5 мм, при контакте с которым в дело вступали силы Ван-дер-Ваальса. Полоски на полученной "пьезорезине" сохраняли порядок расположения и цельность. Как утверждают авторы, им удалось перенести в опытах более 95% всех полосок на PDMS и разместить их на площади в 1 см2 [5 ]
Рисунок 4. Изображения полосок PZT на подложке из оксида магния (слева) и PDMS (иллюстрация из журнала Nano Letters)
3.3. Пьезоэлектрики в нанотехнологиях
Пьезоэлектрические наногенераторы возможно снабдят электроэнергией малогабаритную электронику за счет использования механической энергии. Ученые из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) разработали ряд миниатюрных датчиков, приводимых в действие пьезоэлектрическими наногенераторами. Эти наногенераторы состоят из тысяч нанопроводов, которые генерируют электроэнергию каждый раз, когда они подвергаются механической деформации [6] . Использование таких источников электроэнергии позволяет приводить в действие различные малогабаритные электронные устройства и датчики без необходимости использования батареи или аккумулятора. Исследования показали, что изготовленные опытные образцы могут обеспечить пиковое напряжение 1.26 Вольта, при плотности получаемой электрической мощности 2.7 милливатта на один кубический сантиметр объема, в том случае, когда материал генератора подвержен деформации всего в 0.19 процента. Нанопроводники этого генератора были изготовлены чисто химическим способом благодаря разработанной учеными технологии, которые стремились разработать очень дешевый метод осаждения нанопроводов на гибкое основание. Проведенные учеными тесты, в которых было использовано около тысячи таких генераторов, показали, что благодаря отсутствию движущихся механических частей эти генераторы могут служить в течение длительного времени совершенно без потерь своих характеристик. В качестве примера использования наногенераторов ученые создали два нанодатчика, работающие на энергии, вырабатываемой наногенератором. Первый датчик используется для измерения уровня pH жидкостей, второй используется для измерения силы ультрафиолетового света. Благодаря простоте и универсальности такие наногенераторы могут использоваться в качестве генераторов, вырабатывающих электроэнергию под воздействием морских волн, звуковых колебаний и их можно даже встроить в подошву обуви, подзаряжая аккумулятор мобильного телефона при ходьбе [5 ].Дальнейшие усилия ученых будут направлены на улучшение коэффициента преобразования таких генераторов и на разработку технологий, благодаря которым станет возможным практическое применение новых наногенераторов. 4. Заключение. Социальная оценка исследования Выполняя теоретическое исследование по теме: " Использование свойств активных диэлектриков в нанотехнологиях" была проведена работа по подбору технической информации и её анализу. Исследуя технические характеристики активных диэлектриков, обобщены способы управления свойствами активных диэлектриков:
1. Направление спонтанной поляризацим можно изменять действием внешнего электрического поля;
2. Преобразование механические колебания в электроэнергию и наоборот;
3 Изменять диэлектрическую проницаемости напряжением электрического поля;
4. Изменять спонтанную поляризованность диэлектриков при изменении температуры.
Гипотеза исследования: "Если эксплуатировать активные диэлектрики с учётом их свойств, то это позволит применять их в нанотехнологиях"доказана частично так, как нанотехнология, и в особенности молекулярная технология - новые области, очень мало исследованные. Известно, что нанотехнология находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, все еще не сделаны. Тем не менее, проведенные исследования уже сейчас дают практические результаты. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. Однако обычные методы производства в России подходят к естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не на много, зато экономические затраты возрастают значительно [4]. Поэтому, нанотехнологии и применяемые в них активные диэлектрики займут свое место, но для этого необходимо широкое распространение основных идей . Данная работа показывает значения свойств пьезоэлектриков для возможного использования их в нанотехнологиях. В Японии действующая с 1999 года японская "Национальная программа работ по нанотехнологии" имеет высший государственный приоритет "Огато".. В 2004 году сенат США одобрил законопроект, предусматривающий в течение последующих четырех лет ассигнования на исследования и разработки в сфере нанотехнологий в размере 3,7 млрд. долларов. Россия пошла по пути развития научно-технологического потенциала, поэтому важно рассмотреть направления по исследованию и применению свойств различных материалов, в частности активных диэлектриков. 5. Список используемой литературы 1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники, 2-е изд. - М.: ВШ., 1986.
2. Карков И.С. - Физика элементарных частиц. - М. - 1999 г.
3. Синджанов И.К. Электродинамика - М. 1998 г.
4. Электротехнические материалы. Справочник / В.Б. Березин, Н.С. Прохоров, А.М. Хайкин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 504с.
5. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.
6. Богородицкий Н.П., Таирова Д.А., Сорокин В.С. Роль свободных носителей заряда в образовании электретного состояния в поликристаллических диэлектриках // ФТТ. - 1964. - Т.6, вып.8. - С.2301-2306.
7. Губкин А.Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. - 191 с.
8. Желудев И.С. Основы сегнетоэлектричества. - М.: Атомиздат, 1973. - 472 с.
9. Суриков В.С. - Основы электродинамики - М. "Протон" - 2000 г.
6
Автор
profobrazovanie
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
368
Размер файла
122 Кб
Теги
зайцевой, исследовательская, работа
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа