«Белорусский государственный университет»

Факультет химический

Кафедра физической химии

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТВЕРДОФАЗНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Программа специальной дисциплины

Минск

2007

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе БГУ Самохвал В. В.

Программа дисциплины «Физико-химические процессы получения функциональных твердофазных неорганических материалов» составлена в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта для специальности Н 03.01.00 «Химия»

Семестр Общая трудоемкость дисциплины В том числе:

лекций семинаров практических (лабораторных) работ Контрольные мероприятия:

рефераты _ коллоквиумы _ контрольные работы другие _ Составитель Паньков Владимир Васильевич, д.х.н., профессор, кафедра физической химии, Белорусский государственный университет Рекомендовано к печати протоколом заседания кафедры физической химии от _ №.

© Белорусский государственный университет, © Паньков В. В, составление,

СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ

I. Введение 1. Цель дисциплины Цель курса - формирование у студентов комплекса фундаментальных представлений по применению теоретических принципов физической химии для решения проблем создания новых материалов. Обучение студентов методам моделирования и дизайна новых материалов, исходных веществ и процессов.

2. Задачи дисциплины Продемонстрировать студентам, завершающим химическое образование, общность системного подхода в области новой химической технологии материалов, единую систему знаний, диалектично объединяющей пути создания функциональных материалов неорганической природы. Дать представление о современном состоянии материаловедения и о роли материалов в различных областях человеческой деятельности; показать взаимосвязь использования различных областей науки: химии, физики и технологии для решения материаловедческих проблем.

3. Место дисциплины в системе высшего профессионального образования.

Программа составлена с учетом того, что студенты имеют также подготовку по химии материалов благодаря общим курсам “Неорганическая химия", “Физическая химия”, “Кристаллохимия" и курсам спецдисциплин кафедры.

Указанные блоки дисциплин составляют достаточный фундамент для настоящего курса.

4. Требования к уровню освоения содержания курса (приобретаемые компетенции, знания, умения, навыки) Студенты должны приобрести фундаментальные знания о возможном поведении вещества и путей его превращения в материал с необходимыми функциональными свойствами. Именно поэтому, наряду с учебными пособиями, включенными в список рекомендованной литературы, студентам предоставляется возможность регулярно знакомиться с периодическими "Материаловедение", “Физика твердого тела”, Solid State Ionics”, "Journal of Materials Chemistry". "Journal of Materials Research", Journal of Solid State Chemistry", "Ceramics International". ''Advanced Materials" и "Materials Today".

5. Методическая новизна курса заключается в демонстрации непрерывного и неразрывного единства в поведении состава, строения и свойств материалов любой природы. Приводится комплекс нетривиальных представлений о поведении неорганических соединений в поле химического потенциала и температуры.

II. Содержание курса Темы и разделы курса, их краткое содержание Определение функциональных материалов. Классификация функциональных материалов. по свойствам и функциям. Классификация функциональных неорганических материалов по составу, структуре, свойствам и областям применения. Структурная иерархия материалов. Многофункциональные материалы. Физико-химические принципы конструирования новых материалов. Важнейшие проблемы науки о материалах на ближайшее и более отдаленное будущее. Национальные и международные программы создания новых поколений материалов. Социальные, экономические, экологические аспекты крупномасштабного производства, эксплуатации и регенерации материалов. Роль материалов в техническом прогрессе.

Примеры технических прорывов, обязанных освоению технологии получения и выявлению специфических свойств материалов.

Способы синтеза порошков функциональных материалов Различия способов синтеза порошкообразных материалов в зависимости от методов гомогенизации компонентов. Керамический метод синтеза. Синтез порошкообразных материалов с использованием химических методов гомогенизации исходной смеси компонентов Новые технологии получения ультрадисперсных материалов, основанные на синергетике химического и физического воздействия. Аппараты смешивания и диспергирования.

Критерии качества смешивания и диспергирования. Сушка, брикетирование и гранулирование порошков. Механические и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.

Процессы получения нанокристаллических материалов.

Физикохимия процессов получения нанотрубок, фотонных кристаллов, материалов спинтроники, квантовых точек Эволюция от молекул к материалам. Кластерные серии. Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы. Фрактальные модели дисперсных и ультрадисперсных систем.

Особенности структуры и физико-химических свойств наноматериалов.

Углеродные наночастицы и материалы: фуллерены — синтез структура и свойства, углеродные нанотрубы (классификация, структура, методы получения), пленочные структуры из фуллеренов и нанотруб, Синтез и свойства нанокомпозитов. Классификация нанокристаллических материалов, основанная на принципах их методов изготовления и структуры. Основные методы получения нанокристаллических материалов: порошковая технология, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация Процессы термообработки порошкообразных смесей компонентов. Методы исследования термодинамических параметров твердофазных реакций.

Процессы зародышеобразования в твердофазных реакциях Диффузия реагирующих компонентов. Химическое взаимодействие на границе исходные материалы – продукт реакции. Термодинамическая теория твердофазных процессов. Метод диффузионных пар Кинетические уравнения твердофазных взаимодействий. Кинетика твердофазных реакций в полудисперсных системах. Методы изучения кинетики твердофазных реакций. Методы активирования порошкообразных материалов Методы формования керамических изделий. Механизмы различных стадий спекания твердофазных материалов. Жидкофазное спекание. Спекание за счет пластической деформации Получение монокристаллов, пленок, объемных функциональных Методы получения монокристаллов. Способы получения пленочных материалов. Физикохимия функциональных устройств в пленочном поликристаллических пленок металлов и сплавов, простых и сложных оксидов, синтез алмазных пленок Многослойные покрытия со специальными функциями. Механизм кристаллизации многокомпонентных продуктов из растворов, расплавов и стекол. Проблема роста крупных кристаллов с малой плотностью дислокаций Классы кристаллов и области их применения в технике. Основные способы выращивания кристаллов из газовой фазы, из раствора, из расплава. Методы, используемые в производстве кристаллов.

Выбор подложки, способы подготовки подложек. Эпитаксия. Физические методы получения плёнок: вакуумное испарение, катодное напыление.

Химические методы получения плёнок: золь-гель технология, спрей-пиролиз, жидкофазная эпитаксия, химическое осаждение из газовой фазы (CVDпроцессы). CVD: Теоретические основы процесса образования пленок и покрытий при термораспаде летучих соединений металлов с органическими лигандами: Общая схема осаждения покрытий, Элементарные акты гетерогенного распада Микроскопические методы. Зондовые методы. Спектроскопические методы.

Термоаналитические и дифракционные методы. Исследование кристаллического совершенства монокристаллов дифракционными методами. Взаимодействие кристалла с рентгеновским излучением.

Сравнение аналитических методов исследования поверхности. Анализ тонких пленок и многослойных систем Исследование объемных поликристаллических материалов и поликристаллических пленок.

Рентгенофазовый анализ. Принципы выбора методов анализа адекватных задачам определения реального состава материала с учетом его природы (металл, полупроводник, диэлектрик), массы (массивный кристалл, тонкая пленка, нанодисперсная система) и ожидаемого уровня химической неоднородности (гетерофазность, пространственная негомогенность).

Просвечивающая, сканирующая и туннельная микроскопии.

Темы лабораторных, семинарских занятий и коллоквиумов.

Лабораторные занятия распыления и пиролиза 2. Термические методы исследования процессов синтеза сложных оксидов.

3. Изучение процесса обработки тонких пленок в условия СВЧ плазмохимического травления.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы:

не предусмотрены предусмотрены) не предусмотрены Примерный перечень вопросов к экзамену.

III. Распределение часов курса по темам и видам работ 2. Способы синтеза порошков функциональных материалов 3. Процессы получения нанокристаллических материалов 4. Физико-химические особенности функциональных материалов.

5. Получение монокристаллов, функциональных материалов 6. Методы исследования процессов V. Учебно-методическое обеспечение курса Рекомендуемая литература 1. А.В. Кнотько, И.А. Пресняков, Ю.Ф. Третьяков Химия твердого тела, Изд.

центр «Академия» / 2. Ю.Д. Третьяков, В.И. Путляев Введение в химию твердых материалов Изд-во МГУ: Наука / 3. Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии, Москва: Техносфера / 4. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — МИСИС. — 2003.

5. Вуль А.Я. Фуллерены как материал электронной техники. //Материалы электронной техники. — 1999. — №7. — С. 4–7.

6. М.И. Гилевич, И.И. Покровский Химия твердого тела, Минск / 7. Ю.Д. Третьяков Твердофазные реакции, М.: Химия / 8. Ю.Д. Третьяков Химия и технология твердофазных материалов 9. Л.М. Летюк, Г.И. Журавлев Химия и технология ферритов Ленинград, «Химия» / - дополнительная:

1. А.В. Юхневич Химические проблемы создания новых материалов // Минск, БГУ / 2. А.Вест. Химия твердого тела. М.: Мир, 1988, т.1,2.

3. В.И.Фистуль. Физика и химия твердого тела, т.1,2. М.: Металлургия, 1995.

4. С.С.Горелик, М.Я.Дашевский. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988.

5. В.И.Фистуль. Новые материалы. Состояние, проблемы, перспективы. М.:

МИСИС, 1995.

6. Ч.Н.Р.Рао, Дж.Гополакришнан. Новые направления в химии твердого тела.

Новосибирск: Наука, 1990.

7. Л. ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. М.:

Атомиздат, 1975.

8. О.Уайэтт, Д.Дью-Хьюз, Металлы. Керамики. Полимеры., М.: Атомиздат, 9. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела, в 2 томах, т.1, СПб.:Изд-во СПетербург. ун-та, 10. Ю.Д.Третьяков. Твердофазные реакции.М.: Химия, 1978.

11. В.С.Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж.Бунин, А.А.Оксогоев. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994.

12. Химия новых материалов. Тематический выпуск. Журнал ВХО им.Д.И.Менделеева, т.36, N6, 1991.58.

13. Технология производства материалов магнитоэлектроники. Под ред.

Л.М.Летюка. М.: Металлургия, 1994.

14. А.А.Чернов, Е.И.Гиваргизов, Х.С.Багдасаров, В.А.Кузнецов, Л.Н.Демьянец, А.Н.Лобачев. Современная кристаллография. Т.3.

Образование кристаллов. М.: Наука, 1980.

15. Г.П.Швейкин, В.А.Губанов, А.А.Фотиев и др. Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников.

М.: Наука, 1990.

VI. Ресурсное обеспечение Лаборатории кафедры (осуществляется в рамках спецпрактикума) Компьютерные классы (факультетский) Заведующий кафедрой физической химии