Металлические наноструктуры: от кластеров к нанокатализу и сенсорам
Б.М. Смирнов Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская 13/19, Москва, 127412, Российская Федерация
Рассмотрены свойства металлических кластеров и составленных из них наноструктур. Сравниваются существующие методы генерации интенсивных пучков металлических кластеров и последующего превращения их в наноструктуры. Проанализированы процессы протекания буферного газа с активными молекулами через наноструктуру в условиях нанокатализа. По аналогии с макроскопическим металлом исследуется распространение электрического сигнала через наноструктуру. Проанализировано изменение сопротивления металлической наноструктуры в результате прилипания к её поверхности активных молекул, которые превращаются в отрицательные ионы, индуцируюие образование положительно заряженных вакансий внутри металлического проводника. Вакансии притягиваются к отрицательным ионам и вместе с ними формируют изменение сопротивления металлической наноструктуры. Рассмотрены физические основы применения металлических кластеров и составленных из них наноструктур для создания новых материалов в виде пористой металлической плёнки на поверхности различных объектов. Представлены фундаментальные основы нанокатализа. Полупроводниковые кондактометрические сенсоры, проводником в которых являются граничащие друг с другом нанометровые зёрна или нити, сравниваются с металлическими сенсорами с проводником в виде перколяционного кластера, фрактальной нити или пучка переплетённых нанонитей, образуемых в сверхтекучем гелии. Показано, что сенсоры на основе металлических наноструктур характеризуются существенно более высокой чувствительностью по сравнению с полупроводниковыми сенсорами, но, в отличие от них, не обладают селективностью. Измерения на основе металлических сенсоров включает две стадии: первая позволяет измерить скорость прилипания активных молекул к проводнику сенсора с высокой точностью, вторая связана с освобождением поверхности металлической наноструктуры от прилипших молекул с использованием газоразрядной плазмы, в частности, от капиллярного разряда, и последующей хроматографией продуктов очистки.
Ключевые слова: металлические кластеры, металлические наноструктуры, лазерная абляция, перколяционный кластер, фрактальная нить, пучок нанонитей, нанокатализ, полупроводниковый кондактометрический сенсор, металлический кондактометрический сенсор PACS:61.43.Hv, 61.46.−w, 72.15.−v, 73.63.−b (все) DOI:10.3367/UFNr.2017.02.038073 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2017/12/b/ Цитата: Смирнов Б М "Металлические наноструктуры: от кластеров к нанокатализу и сенсорам" УФН187 1329–1364 (2017)
Haberland H (Ed.) Clusters of Atoms and Molecules: Theory, Experiment, and Clusters of Atoms (Berlin: Springer-Verlag, 1994); Haberland H (Ed.) Clusters of Atoms and Molecules II: Solvation and Chemistry of Free Clusters, and Embedded, Supported, and Compressed Clusters (Berlin: Springer-Verlag, 1994)
Лахно В Д Кластеры в физике, химии и биологии (М. - Ижевск: РХД, 2001)
Суздалев И П Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов (М.: КомКнига, 2006)
Ландау Л Д ЖЭТФ11 592 (1941); Landau L D J. Phys. USSR5 71 (1941)
Лифшиц Е М, Питаевский Л П Статистическая физика Т. 2 (М.: Наука, 1978); Пер. на англ. яз., Lifshitz E M, Pitaevskii L P Statistical Physics Vol. 2 (Oxford: Pegramon Press, 1980)
Feynman R P Statistical Mechanics (Reading, Mass.: W.A. Benjamin, 1972); Пер. на русск. яз., Фейнман Р Статистическая механика (М.: Мир, 1978)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Гидродинамика (М.: Наука, 1988); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Fluid Mechanics (Oxford: Pergamon Press, 1987)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Электродинамика сплошных сред (М.: Наука, 1988); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Electrodynamics of Continuous Media (Oxford: Pergamon Press, 1984)
Lide В К (Ed.) Handbook of Chemistry and Physics 86th ed. (London: CRC Press, 2003, 2004)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Гидродинамика (М.: Наука, 1988); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Fluid Mechanics (Oxford: Butterworth, 2000)
Smirnov B M Proc. Int. Conf. "Nanoclusters Synthesis, Characterization and Potential Applications" (Okinawa: Okinawa Institute of Science and Technology, 2016) p. 23
Лифшиц Е М, Питаевский Л П Физическая кинетика (М.: Наука, 1988); Пер. на англ. яз., Lifshitz E M, Pitaevskii L P Physical Kinetics (Oxford: Pergamon Press, 1981)
Dyer S A (Ed.) Wiley Survey of Instrumentation and Measurement (New York: Wiley, 2001)
Bhargava S C Electric Measuring Instruments and Measurements (London: CRC Press, 2012)
Sommerfeld A, Bethe H Handbuch der Physik Vol. 24 2nd ed. (Berlin: Springer, 1933) p. 333
Ashcroft N W, Mermin N D Solid State Physics (New York: Holt, Rinehart and Winston, 1976)
Kittel Ch Introduction to Solid State Physics (New York: Wiley, 1986)
Волькенштейн Ф Ф Электронные процессы на поверхности полупроводников при хемосорбции (М.: Наука, 1987); Пер. на англ. яз., Wolkenstein T Electronic Processes on Semiconductor Surfaces During Chemisorption (New York: Consultants Bureau, 1991)
Madou M J, Morrison S R Chemical Sensing with Solid State Devices (London: Academic Press, 1991)
Ozin G A, Arsenault A C Nanochemistry. A Chemical Approach to Nanomaterials (Cambridge: RSC Publ., 2005)
Sergeev G B Nanochemistry (Amsterdam: Elsevier, 2006)
Gründler P Chemical Sensors. An Introduction for Scientists and Engineers (Berlin: Springer, 2007)
Bochenkov V E, Sergeev G B Metal Oxide Nanostructures and Their Applications Vol. 3 (Eds A Umar, Y-B Hahn) (Valencia, CA: American Sci. Publ., 2010) p. 31
Варгафтик Н Б Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей (М.: Энергоатомиздат, 1972); Vargaftik N B Tables on the Thermophysical Properties of Liquids and Gases (Washington: Hemisphere Publ. Corp., 1975)
Chahabra A, Herrmann H J, Landau D P Fractals in Physics. Proc. of the Sixth Trieste Intern. Symp. on Fractals in Physics, ICTP, Trieste, Italy, July 9 - 12, 1985 (Eds L Pietronero, E Tosatti) (Amsterdam: North-Holland, 1986) p. 179