31. Кристаллит өлшеміне байланысты нм-дағы жылусыйымдылық өзгерісі қалай өзгереді?
Наноматериалдардың жылуөткізгіштік сипаты электрондық және торлық құрамдардан тұрады.Металл тәрізді обьектілерде электрондық құрам басым,ал жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде фонондар есебінен жылу тасымалдануы маңызды рөл атқарады.Сәйкесінше крисалиттердің өлшемдерінің кішіреюі дәнекаралық шекараларда электрондардың шашырауына байланысты,наноматериалдардың жылуөткізгіштігін біршама төмендетеді.Мысалы,өлшемдері 20-47 нм болатын күміс дәнектерінің температура өткізгіштігі ірі дәнекті материалдікінен 3,5-4есе аз.Электірлік және жылу өткізгіштік параметрлерінің үйлесуі тэрмоэлектірлік материалдар үшін маңызды.Олардың сапасы беріктілігімен z=a2/(pλ)сипатталатыны белгілі, мұндағы а-термоэқк;p-электрлік кедергісі; λ-жылуөткізгіштік. Зерттеу нәтижелері бойынша, наноматериалдарға ауысу беріктіліктің артуымен жүретіні анықталған.Алюминий, нихром, титан нитриді мысалында кристалдар өлшемдерінің кішіреюі,термо-эқкнің артуы мен жылуөткізгіштіктің артуының әсерінен беріктіліктің артуына алып келетіні анықталған.Нанообекьтілердің өткізгіштігіне кванттық эффектілердің әсерін зерттеу нанодиодтар,нанотранзисторлар,наноөшіргіштер сияқты құрылғылар жасауда маңызды рөл атқарады.Бұлардағы сымдар ұзындығы еркін жүріп өту ұзындығынан аз болуы,ал олардың қимасының диаметрі электронның де –Бройль толқын ұзындығынан аз болуы мүмкін.Нанобөлшектер мен қабықшалардың оптикалық қасиеттерін ғалымдар көп уақыттан бері зерттеп келеді. Мысалы, әртүрлі факторларды ескергендегі металл қабықшалардың жарықты шағылдыру,жұтылу және өткізу теориялары жақсы дамыған.Сонымен бірге,жартылай өткізгіш наноматериалдардың оптикалық және люминнесценция қасииетері де жақсы зерттелген. Мысалы,кластерлі кремнийдің көрінетін спектр аумағындағы қарқындылюминесценция кластердегі өлшемдік квантталуға немесе беткі қабаттарда түзілген Si-H және Si-O-H типті байланыстардағы электрондық ауысуларға байланысты болуы мүмкін.
32.Кристаллит өлшеміне байланысты нм-дың термиялық ұлғаю және беріктілік ерекшеліктерін айтыңыз
Наноматериалдар мен нанобөлшектер қасиеттерінің неғұрлым күшті өзгерістері кристаллиттер өлшемі 10..100 нм болғанда орын алады. Мұның негізгі физикалық себетерін 9 суреттен көрсетуге болады. Нанобөлшектер үшін жұқа беттік қабаттағы қабаттағы атомдар үлесі (~1 нм), микробөлшектермен салыстырғанда айтарлықтай артады. Беттік атомдарда көршілес атомдарға байланысты барлығы қосылмайды. Беттің көтеріңкі тұстарындағы атомдар үшін байланыстардың қанығуы одан да жоғары. Нәтижесінде бет астындағы қабатта кристалл торының күшті бұрмалануы орын алады және тіптен тор типінің ауысуы орын алуы мүмкін. Басқа аспект еркін беттің кристалл ақауларының жиналу орны болатындығы. Бөлшектер өлшемі кіші болғанда олардың концентрациясы құрылымдық ақаулардың бетке шығуы салдарынан және нанобөлшек материалын құрылым ақаулары мен химиялық қоспалардан тазалағанда айтарлықтай артады. Деформация және бүліну процестерінің жұқа бет астындағы қабатта метал материалдың ішкі көлемімен салыстырғанда алға оза отырып жүретіндігі анықталды, бұл көбінесе механикалық қасиеттерді (мықтылық, пластикалық) анықтайды. НМ-дың кристал торларының параметрлерінің температуралық өзгерісінің өлшеу көлемдік термиялық ұлғаю коэффицентінің αv тәуелділігін анықтауғада мүмкіндік береді. L кемуімен көлемдік термиялық улғаю коэффицентінің αv артуы заңдылығы басқада наноматериалдарда ( Cu Pd Au Ni) да байқалады. Бұл кезде αv мен L өзгерісі αv=1/ L типті тәуелділікпен сипатталады.
НМ-дың балқу температурасының төмендеуі де олардың фонондық спектрлерінің өзгерісіне әсер етеді. Кристалл өлшемдері кішірейген сайын, балқу температурасының төмендейтіндігі ғылымда бұрыннан белгілі болатын, алайда соңғы жылдарда дәл сондай мәліметтер төмен температуралы наноматериалдар жүйелері үшінде зерттеле бастаған. Балқу температуурасының тез балқитын компонентер өлшемдерінде тәуелділігін аталған жүйелер үшін төмендегі өрнек бойынша көрсетуге болады.
НМ спецификасының келесі себебі наноматериалдардағы түйіршіктер немесе кристаллиттер өлшемдерінің кішіреюімен бірге бөліну шекарасының көлемдік үлесінің ұлғаюы болып табылады. НМ-дағы маңызды фактор кластерлердің ( атомдар, молекулалар . жинақталуы) пайда болуы. Бет бойымен және бөліну шекарасымен атомдар миграциясының (атомдар тобының) жеңілдеуі, сонымен қатар олардың арасында тартылыс күшінің болуы, көбінесе аралшалы, бағанды және басқа да кластерлік құрылымдардың өзіндік реттелу процестеріне әкеледі. Бұл эффектті оптика мен электроникада реттелген наноқұрылымдар жасау үшін қолданады. НМ қасиеттерінің спецификасының тағы бір себебін тасымалдау процестерінде (диффузия, электро- және жылуөткізігіштік және т.б.) осы тасымалдауды іске асыратын тасымалдаушылардың Leэффективті еркін жүру жолы орын алатындығымен байланыстыруға болады. Кіші өлшемдерге ауысқанда Le тасымалдау жылдамдығы өлшем мен пішінге тәуелді болады, және ережеге сай күрт артады. Le ретінде мысалы электронның еркін жүру жолы алынуы мүмкін. Кристаллиттер өлшемдері D < 10 нм төменгі нанодиапазонда кванттық өлшемдік эффектілердің пайда болу мүмкіндігі пайда болады. Кристаллиттердің мұндай өлшемдері электрон үшін дебройль толқын ұзындығымен шамалас болады. Металдар үшін λВ≈0,1…1 нм, ал бірқатар жартылай өткізігіштер, жартылай металдар және аралық металдардың қосылыстары үшін λВ≈5…100 нм. Энергиясы аз кез келген бөлшек үшін (бөлшек жылдамдығы v << c) де Бройль толқын ұзындығы λВ = h/mv деп анықталады, мұндағы m және v – бөлшектің массасы және жылдамдығы масса, ал h – Планк тұрақтысы.
33. НМ-дың жылуөткізгіштік ерекшеліктерін түсіндіріңіз
НМ-дың жылуөткізгіштік сипаты электрондық және торлық құрамдардан тұрады. Металл тәрізді объектілерде электрондық құрам басым, ал жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде фонондар есебінен жылу тасымалдануы маңызды роль атқарады. Сәйкесінше кристаллиттердің өлшемдерінің кішіреюі дәнекаралық шекараларда электрондардың шашырауына байланысты, нанаметалдардың жылуөткізгіштігін біршама төмендетеді. Мысалы, өлшемдері 20-47 нм болатын күміс дәнектерінің температура өткізгіштігі ірі дәнекті материалдыкінен 3,5-4 есе аз.
Электрлік және жылуөткізгіштік параметрлерінің үйлесуі термоэлектрлік материалдар үшін маңызды. Олардың сапасы беріктілігімен z = a2/(ρλ) сипатталатыны белгілі, мұндағы а-термоэқк, ρ-электрлік кедергісі, λ-жылуөткізгіштік. Зерттеу нәтижелері бойынша, наноматериалдарға ауысу беріктіліктің артуымен жүретіні анықталған. Алюминий, нихром, титан нитриді мысалында кристалдар өлшемдерінің кішіреюі, термо-эқкнің артуы мен жылуөткізгіштіктің артуының әсерінен беріктіліктің артуына алып келетіні анықталған.