Особенности применения сорбционного анализа для исследования различных наноматериалов электроники в зависимости от состава и технологических условий получения

Введение. В настоящее время сорбционные методы анализа, включая метод тепловой десорбции инертных газов, широко применяются для характеризации параметров пористой структуры наноматериалов широкого спектра функционального назначения. Тепловая десорбция азота относится к группе неразрушающих методик, обеспечивающих экспресс-анализ таких параметров наноматериалов, как удельная поверхность, средний размер частиц, распределение мезопор по размерам, наличие или отсутствие микропор в системе. В данной статье в качестве объектов исследования выбраны порошки мезопористого кремния и гидроксиапатита кальция. Наноструктуры на основе мезо- и нанопористого кремния представляют интерес при реализации фильтров для систем волоконнооптической связи, поскольку современные интерференционные оптические фильтры громоздки в использовании и дороги. Гидроксиапатит потенциально обеспечивает высокую коррозионную стойкость и не токсичен для окружающей среды. Антикоррозионные покрытия на его основе имеют решающее значение для практического применения магниевых сплавов, которые используются для уменьшения массы транспортных средств, самолетов, корпусов электроники.
Цель работы. Рассмотрение особенностей применения метода тепловой десорбции инертных газов, в частности азота, для исследования параметров пористой структуры наноматериалов различного состава на примере мезопористого кремния и гидроксиапатита.
Материалы и методы. Применение метода тепловой десорбции инертных газов и капиллярной конденсации для исследования параметров пористой структуры порошков гидроксиапатита и пористого кремния. Метод тепловой десорбции азота реализован с помощью прибора Сорби МС, оснащенного станцией пробоподготовки Сорби Преп.
Результаты. Предложены рекомендации по выбору массы материала-адсорбента, требуемой для исследования, выбору условий пробоподготовки и диапазона изменения относительного парциального давления газаадсорбата. Установлено, что выбранные типы образцов характеризуются отсутствием системы микропор в структуре. Проанализирована зависимость удельной поверхности порошков гидроксиапатита и параметров его мезопористой структуры от условий термообработки.
Заключение. Исследование процессов адсорбции и капиллярной конденсации азота позволяет воспроизводить параметры пористой структуры гидроксиапатита и пористого кремния, что является важным показателем для их применения в медицине и электронике в качестве антикоррозионных покрытий и для реализации оптических фильтров.

1. Магнитные и плазмонные композиционные наноструктуры для реализации оптических филь-тров в системах контроля и диагностики веществ и материалов / Р. С. Смердов, Ю. М. Спивак, В. А. Мош-ников, А. С. Мустафаев // Изв. вузов России. Радио-электроника. 2021. Т. 24, № 3. С. 81–97. doi: 10.32603/1993-8985-2021-24-3-81-97

2. Hiromoto S., Yamamoto A. High corrosion re-sistance of magnesium coated with hydroxyapatite di-rectly synthesized in an aqueous solution // Electro-chimica Acta. 2009. Vol. 54, no. 27. P. 7085–7093. doi: 10.1016/j.electacta.2009.07.033

3. Porous Silicon as a Nanomaterial for Disperse Transport Systems of Targeted Drug Delivery to the In-ner Ear / Yu. M. Spivak, A. O. Belorus, A. A. Panevin, S. Zhuravskii, V. A. Moshnikov, K. Bespalova, P. A. So-mov, Yu. Zhukov, A. S. Kolomov, L. V. Chistykova, N. Grigoryeva // Technical Physics. 2018. Vol. 63. P. 1352–1360. doi: 10.1134/S1063784218090207

4. Porous silicon as efficient surface enhanced Ra-man scattering (SERS) substrate / F. Giorgis, E. Descrovi, A. Chiodoni, E. Froner, M. Scarpa, A. Venturello, F. Geo-baldo // Applied Surface Science. 2008. Vol. 254, no. 22. P. 7494–7497. doi: 10.1016/j.apsusc.2008.06.029

5. Low-frequency dielectric relaxation in structures based on macroporous silicon with meso-macroporous skin-layer / R. Castro, Yu. Spivak, S. Shevchenko, V. Moshnikov // Materials. 2021. Vol. 16, no. 10. P. 2473. doi: 10.3390/ma14102471

6. Experimental study of structural and optical properties of integrated MOCVD GaAs/Si(001) hetero-structures / P. V. Seredin, A. S. Lenshin, D. S. Zolotukhin, I. N. Arsentyev, D. N. Nikolaev, A. V. Zhabotinskiy // Phys-ica B: Condensed Matter. 2018. Vol. 530. P. 30–37. doi: 10.1016/j.physb.2017.11.028

7. Lenshin A. S., Polkovnikova Y. A., Seredin P. V. Study of the deposition process of vinpocetine on the surface of porous silicon // Results in Physics. 2016. Vol. 6. P. 337–338. doi: 10.1016/j.rinp.2016.06.008

8. Saxena V., Hasan A., Pandey L. M. Effect of inte-gration with hydroxyapatite: a review // Materials tech-nology. 2018. Vol. 33, no. 2. P. 79–92. doi: 10.1080/10667857.2017.1377972

9. Maraeva E. V., Khalugarova K. Size analysis based on sorption study data for hydroxyapatite nanoparticles // Materials science forum. 2021. Vol. 1031. P. 172–177. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1031.172

10. Dou L. B., Zhang Y. C., Sun H. W. Advances in Synthesis and Functional Modification of Nanohydroxy-apatite // J. of Nanomaterials. 2018. Vol. 2018. P. 1–8. doi: 10.1155/2018/3106214

11. Evaluation of hemocompatibility and in vitro immersion on microwave-assisted hydroxyapatite–alumina nanocomposites / G. Radha, S. Balakumar, B. Venkatesan, E. Vellaichamy // Materials Science and Engineering: C. 2015. Vol. 50. P. 143–150. doi: 10.1016/j.msec.2015.01.054

12. 3D printing of ceramics: a review / Z. W. Chen, Z. Y. Li, J. J. Li, Ch. Liu, Ch. Lao, Yu. Fu, Ch. Liu, Ya. Li, P. Wang, Y. He // J. of the European Ceramic Society. 2019. Vol. 39, no. 4. P. 661–687. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.013

13. Galindo T. G. P., Chai Y. D., Tagaya M. Hydroxyap-atite Nanoparticle Coating on Polymer for Constructing Effective Biointeractive Interfaces // J. of Nanomaterials. 2019. Vol. 2019. P. 1–24. doi: 10.1155/2019/6495239

14. Zelenka T. Adsorption and desorption of nitro-gen at 77 K on micro- and mesoporous materials: Study of transport kinetics // J. of Microporous and Mesopo-rous Materials. 2016. Vol. 227. P. 202–209. doi: 10.1016/j.micromeso.2016.03.009

15. Wang G, Wang K, Ren T. Improved analytic meth-ods for coal surface area and pore size distribution de-termination using 77K nitrogen adsorption experiment // Intern. J. of Mining Science and Technology. 2014. Vol. 24, no. 3. P. 329–334. doi: 10.1016/j.ijmst.2014.03.007