Эффект экранирования заключается в уменьшении расстояния между уровнями ядерной магнитной энергии или, другими словами, приводит к сближению зеемановских уровней. При этом кванты энергии, вызывающие переходы между уровнями, становятся меньше и, следовательно, резонанс наступает при меньших частотах. Если проводить эксперимент, изменяя поле H0 до тех пор, пока не наступит резонанс, то напряженность приложенного поля должна иметь большую величину по сравнению со случаем, когда ядро не экранировано.
Форма и ширина резонансной кривой зависит от процессов релаксации, из которых важнейшими являются обусловленные так называемым сул – намакуровским взаимодействием. Оно заключается в косвенном взаимодействии ядерных спинов друг с другом через волны слабозатухающих колебаний намагниченности магнитоупорядоченного кристалла в виде неоднородной по фазе прецессии магнитных моментов. При этом взаимодействии наблюдается испускание спиновой волны одним ядром с последующим поглощением ее другим ядром.
Вскоре после открытия явления ЯМР в конденсированных средах стало ясно, что ЯМР будет основой мощного метода исследования строения вещества и его свойств. Действительно, исследуя спектры ЯМР, мы используем в качестве резонирующей систему ядер, чрезвычайно чувствительных к магнитному окружению. Локальные же магнитные поля вблизи резонирующего ядра зависят от внутри- и межмолекулярных эффектов, что и определяет ценность этого вида спектроскопии для исследования строения и поведения многоэлектронных (молекулярных) систем.
задания для самоконтроля:
1) В чем заключается явление ЭПР
2) Где используется ЭПР
3) В чем заключается явление ЯМР
4) Где используется ЯМР
5) Особенности применения ЯМР в ФТТ
Литература: [1-12], ДЛ [1-12],Блюменфельд Л.А., Тихонов Н.А. Электронный парамагнитный резонанс, Соровский образовательный журна №9, 19997
Занятие 15
Тема лекции: Наноструктуры
Цель лекции:
Вопросы к лекции:
1 Фуллерены
2 Нанотрубки
Тезисы лекционного занятия:
Открытие фуллеренов и разработка технологии их получения в макроскопических количествах положили начало систематическим исследованиям поверхностных структур углерода. Основным элементом таких структур является графитовый слой - поверхность, выложенная правильными шестиугольниками с атомами углерода, расположенными в вершинах. В случае фуллеренов такая поверхность имеет замкнутую сферическую или сфероидальную форму.
Наряду со сфероидальными структурами графитовый слой может образовывать также и протяженные структуры в виде полого цилиндра или свитка, называемые нанотрубками. Углеродные нанотрубки, так же как и фуллерены, образуются в результате термического распыления графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина таких образований, представляющих собой свернутые в однослойную или многослойную трубку графитовые слои, достигает десятков микрон, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий обычно от одного до нескольких нанометров. Как показали наблюдения с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоит из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось. Расстояние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в кристаллическом графите. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферической головкой, структура которой включает в себя наряду с шестиугольниками также правильные пятиугольники и напоминает половину молекулы фуллерена. Структура нанотрубки в идеализированном виде представлена на рис. 5.
Физические свойства и перспективы применений нанотрубок. Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами, которые трудно ожидать от объектов нанометровых размеров. Так, нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. Реализация этого свойства нанотрубок открывает перспективу создания проводящих нитей диаметром порядка нанометра, которые могут стать основой электронных устройств нанометровых размеров. Как следует из многочисленных теоретических расчетов, электрические свойства индивидуальной нанотрубки в значительной степени определяются ее хиральностью, то есть углом ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. В зависимости от хиральности одностенная нанотрубка может быть либо, как графит, полуметаллом, не имеющим запрещенной зоны, либо полупроводником, ширина запрещенной зоны которого находится в диапазоне между 0,01 и 0,7 эВ. Соединение двух нанотрубок, имеющих различную хиральность, а следовательно, и различные электронные характеристики, представляет собой p-n-переход размером в несколько нанометров и также может быть использовано в качестве основы электронных устройств следующего поколения.
Благодаря чрезвычайно малому поперечному размеру нанотрубка изменяет распределение электрического поля в окрестности вершины. Это проявляется в эффекте усиления поля, согласно которому напряженность электрического поля вблизи вершины может в сотни раз превышать среднее по объему значение. В результате воздействия такого поля нанотрубки обладают высокими эмиссионными характеристиками. Плотность тока автоэлектронной эмиссии при напряжении около 500 В достигает при комнатной температуре величины порядка 0,1 А/см2. Это открывает еще одну интересную возможность прикладного использования нанотрубок в электронике.
Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с их электропроводностью открывают возможность их использования в качестве зонда в сканирующем микроскопе, предназначенном для исследования мельчайших поверхностных неоднородностей. Это на несколько порядков повышает разрешающую способность приборов подобного рода и ставит их в один ряд с таким уникальным устройством, как полевой ионный микроскоп. Значительные перспективы имеет использование нанотрубок в химической технологии. Одно из возможных направлений подобного рода, основанное на высокой удельной поверхности и химической инертности углеродных нанотрубок, связано с использованием нанотрубок в гетерогенном катализе в качестве подложки. Результаты предварительных экспериментов указывают на аномально высокую каталитическую активность нанотрубок при жидкофазной гидрогенизации п-нитротолуола и газофазной гидрогенизации СО в присутствии наночастиц никеля и празеодима, внедренных в материал нанотрубок.
задания для самоконтроля:
1) Получение нанотрубок.
2) Модель нанотрубки
3) Капиллярные эффекты и заполнение нанотрубок.
4) Применение нанотрубок в электронике.
Литература:
1) [1-12], ДЛ [1-12]
2) Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов// Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 1. С. 92.
3) Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физ. наук. 1995. Т. 165. С. 935.
4) Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // Там же. 1997. Т. 167, № 9.