Фізико-технологічні засади формування супрамолекулярних структур молекулярної енергетики і наноелектроніки

Abstract

Представлено результати комплексних досліджень – технологічних, експериментальних, теоретичних – літієво-інтеркалатних систем, придатних як матеріали для високоефективних джерел енергії. Запропоновані технології синтезу ієрархічних дублетноматричних структур, в яких субгосподарем є МСМ-41, а проміжним господарем - гідрохінон, 18-краун-6, 12-краун-4. Отримані також дублетноматричні структури на основі шаруватих кристалів GaSe, InSe, шляхом попередньої інтеркаляції/коінтеркаляції проміжного агента і далі - інтеркаляції в розширену ван-дер-Ваальсову щілину органічних молекул в електричному полі з одночасним опроміненням світлом. Технологічні процеси паралельно супроводжувалися експериментальними дослідженнями ряду фізичних властивостей – ємності, частотних залежностей діелектричної проникливості, провідності, вольт-амперної характеристики, які піддавалися термодинамічному аналізу, застосуванню методів імпедансної спектроскопії. В результаті отримані матеріали з технічними характеристиками, важливими при створенні високоємних накопичувачів енергії інколи вищими від світових. Для опису струмоутворюючих реакцій в отриманих структурах був застосований квантовомеханічний підхід з моделюванням енергетичних та геометричних характеристик системи. Висновки розрахунків твердять про особливу роль не самих по собі таких характеристик, а більшою мірою взаємозв’язку між ними. Вплив особливостей розмірного квантування в різного типу наноматеріалах – металах, напівпровідниках, напівметалах – був продемонстрований на прикладі розрахунків квантової ємності. Представлены результаты комплексных исследований – технологических, экспериментальных, теоретических – литиево-интеркалатных систем, пригодных как материалы для высокоэффективных источников энергии. Предложены технологии синтеза иерархических дублетноматричных структур, в которых субхазяином есть МСМ-41, а промежуточным хазяином – гидрохинон, 18-краун-6, 12-краун-4. При этом структура обладает коэффициентом диффузии большим, чем 2*10-11 см2/с, что превышает соответствующие величины большинства существующих на рынке катодных источников тока с литиевым анодом. Достигнутые удельные емкости в МСМ-41<гидрохинон> 720 мАч/г, а в МСМ-41<18-краун-6> с 100% содержанием органического кавитанда 1050 мАч/г превышают соответветственно в 3 и 7 раз удельную емкость матрицы субхазяина. Получены также дублетноматричные структуры на основе слоистых кристаллов GaSe, InSe, путем предварительной интеркаляции/коинтеркаляции промежуточного агента и далее - интеркаляции в расширенную ван-дер-Ваальсову щель органических молекул - олигопероксидного металлокомплекса, метиленового синего, родамина–С в электричном поле с одновременным облучением светом. Технологические процессы параллельно сопровождались экспериментальными исследованиями ряда физических свойств – емкости, частотных зависимостей диелектрической проницаемости, проводимости, вольт-амперной характеристики, которые подвергались термодинамическому анализу, применению методов импедансной спектроскопии. Для описания токо-образующих реакций в полученных структурах был предложен квантовомеханический подход с моделированием энергетических и геометрических характеристик системы. Выводы расчетов указывают на особую роль не самих по себе таких характеристик, а в большей мере взаимосвязью между ними. Влияние особенностей размерного квантования в различного типа наноматериалах – металлах, полупроводниках, полуметаллах – было продемонстрировано на примере расчетов квантовой емкости.It is presented the results of comprehensive research - technological, experimental, theoretical - of Li-intercalated systems, suitable as a material for high-performance energy sources. Synthesis of double-matrix hierarchical structures in which subhost is MCM-41, and the intermediate host - hydroquinone, 18-crown-6, 12-crown-4 is described. It is obtained also double-matrix structures based on the layer crystals GaSe, InSe, by preliminary intercalation/сointercalation of an intermediate agent and then by intercalation into extended van der Waals gap the organic molecules rhodamine yellow dye methylene blue. Such intercalation was carried out in an electric field with simultaneous illumination. The processes were accompanied by parallel experimental studies a number of physical properties - capacity, frequency dependence of the dielectric permittivity, imaginary and real conductivity, current-voltage characteristics. The data were subjected to thermodynamic analysis, and analyzed by the impedance spectroscopy method. It allowed to draw conclusions about the mechanisms of the effects observed. It is shown that important to create high-capacity energy source characteristics are sometimes higher than world ones. The current-generating process in obtained structure was analyzed in the framework of quantum-mechanical approach with the potential which allowed simulating the energy and geometric characteristics of the system. Conclusions of the calculations note that the process is formed in a greater extent by the relationship between characteristics than the characteristics by themselves. Effect of the size quantization features in different types of nanomaterials - metals, semiconductors, semimetals - was demonstrated by calculations of quantum capacitance.