ВВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 6
1.1 Не и его свойства 6
3
1.2 Не в ограниченной геометрии 7
1.3 Наноалмазы и их свойства 7
2 Образцы и методика эксперимента 10
2.1 Образец наноалмаза и его свойства 10
2.2 Подготовка образца 15
2.3 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов ... 15
2.3.1 Импульсный ЯМР спектрометр 15
2.3.2 Методы измерения изотерм адсорбции N2, 4He, 3He 17
3 Изотермы адсорбции N2,4He, 3He на поверхности наноалмазов 19
3.1 Изотерма адсорбции N2 19
3.2 Изотермы адсорбции 4He и 3He 20
4 Спиновая кинетика ядер He в контакте с наноалмазами 23
4.1 Концентрационная зависимость времен релаксации He 23
4.2 Частотная зависимость времен релаксации He 24
4.3 Температурная зависимость времен релаксации 3He 27
5 Спиновая кинетика Не в контакте с наноалмазами, покрытыми
адсорбированными слоями азота 31
5.1 Методика покрытия образца слоями азота 31
5.2 Концентрационная зависимость времен релаксации Не 31
5.3 Частотная зависимость времен релаксации Не 34
5.4 Температурная зависимость времен релаксации Не 38
5.5 Обсуждение полученных результатов ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература
Ядерный магнитный резонанс - это явление резонансного поглощения энергии электромагнитной волны системой ядер с ненулевым спином, находящихся во внешнем постоянном магнитном поле. Поглощение энергии становится возможным, поскольку во внешнем постоянном магнитном поле вследствие эффекта Зеемана происходит расщепление энергетических уровней [1]. Одними из методов исследования вещества являются ЯМР спектроскопия и релаксометрия.
Спектроскопия представляет собой регистрацию спектра отклика системы ядер с отличным от нуля спином на электромагнитное воздействие определенной частоты. Релаксометрия заключается в определении времен спин-решеточной Т1 (продольной) и спин-спиновой Т2 (поперечной) релаксаций намагниченности ядер. По зависимости времен релаксации от различных параметров можно сделать вывод о магнитном взаимодействии между системой спинов и решеткой вещества [2].
С помощью релаксометрии можно изучать пористые среды. Гелий-3 - одноатомный газ, его молекула является одноатомной и самой маленькой (радиус 0,32 А), следовательно, релаксометрия нe имеет большой приоритет. По параметрической зависимости спиновой кинетики ядер He, находящихся в контакте с пористым веществом, можно судить о магнитном взаимодействии между ними и, следовательно, о существовании каналов релаксации.
В ограниченной геометрии спиновая кинетика ядер жидкостей начинает зависеть от величины ее объема, и при исследовании процессов ЯМР необходимо также учитывать влияние адсорбированных атомов на поверхности субстрата [3].
Главной целью исследований в данной работе было изучение процессов ядерной магнитной релаксации 3He в ограниченной геометрии порошка наноалмазов. Изучение влияния ограниченной геометрии на
4
времена релаксации He представляет интерес, поскольку влияние адсорбированного слоя на времена Т и Т2 становится существенным и в экспериментах одновременно изучаются взаимодействие адсорбированного слоя с поверхностью стенок и с газообразной или жидкой фазой гелия [3].
В качестве образца, представляющего собой ограниченную геометрию, использовались детонационные наноалмазы, размеры частиц которых составляли ds=3-10 нм, т.е при плотной упаковке данного порошка получается образец с размерами пор в пределах от 0,032 нм до ds.
В рамках данной работы были измерены зависимости времен релаксации ядер 3He в контакте с наноалмазами от количества 3He, от резонансной частоты и температуры для адсорбированного слоя, газовой и
з
жидкой фаз He. Для выявления влияния взаимодействия с поверхностью вещества данные эксперименты были проведены c образцом с чистой поверхностью и с образцом, покрытым одним, двумя и тремя монослоями азота, а также с образцом, покрытым монослоем 4He.
В ходе данной работы были измерены времена релаксации ядер He находящегося в контакте с наноалмазами для адсорбированного слоя, газовой и жидкой фазы. Была измерена зависимость времен релаксации от таких параметров как: концентрация, резонансная частота и температура. Времена релаксации в этих экспериментах оказались короче, чем в подобных экспериментах с аэрогелем [16]. Для выяснения влияния взаимодействия He с поверхностью подобные эксперименты были проведены с образцом, покрытым двумя слоями немагнитного 4He и N слоями азота (N=1, 2 и 3). С увеличением расстояния от He до образца времена релаксации ядер увеличивались. В температурных зависимостях скорости релаксации ядер
з
He для каждой фракции адсорбированного слоя имеется свой максимум.
На основании этих данных было предположено наличие парамагнитных центров в приповерхностном слое частиц наноалмазов. Кузьминым В. В. была предложена модель, позволяющая вычислить расстояние, на котором находятся парамагнитные центры от поверхности. Данная модель хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными.
По изображениям, полученным с помощью электронного микроскопа, и дифракционной рентгенограмме было обнаружено наличие аморфной оболочки, а также рассчитана ее средняя толщина (0,9 нм). С учетом величины среднего расстояния между поверхностью частиц и парамагнитными центрами, содержащимися внутри, можно сделать вывод, что большая часть ПЦ сосредоточена в аморфной оболочке наноалмазов. Данный вывод соответствует информации о структуре наноалмаза полученной из ЭПР исследований.
Таким образом, был изучен частный случай влияния ограниченной геометрии на спиновую кинетику ядер He, заключающийся в наличии на
поверхности образца адсорбированного слоя. Метод, позволяющий найти
-5
расположение ПЦ, использующий адсорбированные слои N2 и He можно использовать для изучения магнетизма других образцов.
Хотелось бы выразить свою благодарность своему научному руководителю Сафиуллину Каюму Рафаилевичу, Кузьмину Вячеславу Влидимировичу, Клочкову Александру Владимировичу, Тагирову Мурату Салиховичу и лаборатории МРС за предоставленную возможность выполнять данную работу с использованием лабораторной аппаратуры. Также отдельная благодарность Явкину Борису Владимировичу, Преснякову Михаилу Юрьевичу и Киямову Айрату Газинуровичу за помощь в дополнительных исследованиях образца.
