Mavzu: silikat shishada metall oksidlari diffuziyasi

REFERAT

MAVZU: SILIKAT SHISHADA METALL OKSIDLARI DIFFUZIYASI

Dissertatsiya mavzusining dolzarbligi va zarurati

Silikat shisha odamlar qadimdan foydalanib kelayotgan eng qiziqarli materiallardan biridir. Shisha fan, texnika va kundalik hayotda keng ko’lamda ishlatilishiga qaramasdan, uning fizikasida bir qator muammolar mavjud. Masalan modda tuzilishi (strukturasi, ya’ni atomlarning fazoda o’zaro joylashuvi) uning fizikaviy xossalariga kuchli ta’sir ko’rsatishi fanda ma’lum. Ammo ko’pgina modellar taklif qilinganiga qaramay, shishaning tuzilishi deyarli bir asr davomida dunyo olimlari o’rtasida qizg’in baxslarga sabab bo’lib kelmoqda, sababi kristall moddalarning tuzilishini o’rganishda qo’llaniladigan eksperimental usullar (rentgen nurlari, elektronlar va neytronlar difraksiyasi) shisha tarkibining murakkabligi va uning tuzilishida uzoq tartib yo’qligi tufayli yetarli samara bermaydi. Energetik zonalar modeli va u bilan bog’liq tasavvurlarni (zaryad tashuvchilar effektiv massasi, harakatchanligi) shisha qay darajada qo’llash mumkinligi ham har bir muayyan vaziyatda asoslashni talab etadi.

Keyingi yillarda turli elektron asboblarda keng qo’llanilayotgan qalin qatlamli rezistorlarning asosi bo’lgan oraliq metallar oksidlari (xususan RuO₂) bilan legirlangan silikat shishaning elektr xossalarini o’rganish qo’shimcha fizikaviy muammolar borligini ko’rsatdi. Masalan, ma’lum bo’ldiki, solishtirma qarshiligining temperature bo’ylab o’zgarishi p(T) past temperaturalarda (T<50K), na kristal yarimo’tkazgichlarnikiga ( aktivatsiya qonuni ln p~exp(E/Kt)-1 va na amorf moddalarnikiga (Mott qonuni ln p~T^-0.25) o’xshaydi. p(T)ning oraliq temperaturalarda kuzatiladigan minimum mavjud fizikaviy tasavvurlarga mos kelmaydi, undan keyin esa shishaning taqiqlangan zonasi kengligi 3 eV dan ortiqroq dielektrik, deb qaraydigan tasavvurga zid metalsimon (p~T yoki p~T²) o’tkazuvchanlik paydo bo’ladi.
Keying yillarda termoelektrik hodisalarga qiziqish kuchaydi, chunki qayta tikanuvchi energiya manbalaridan elektr energiyasi olish, energetik chiqindilardan foydalanish sovutish va isitish tizimi uchun termoelektrik o’zgartirgichlardan foydalanish muhim ro’l o’ynaydi.
Termoelektrik hodisalar elektron energetik holatlarining zichligi, yashirin struktura (faza) o’tishlari, elektron tizimining holati, elektron va fononlarning o’zaro ta’siri haqida ma’lumot berishi mumkin. Amaliyot uchu esa materiallarning elektr o’tkazuvchanligi σ, issiqlik o’tkazuvchanligi κ va termoeyuk koeffitsiyenti ( Zeebak koeffitsiyenti) S bilan bog’langan termoelektrik sifatliligi ZT = S²σT/κ muhim ahamiyatga ega. Bunda T- termoelektrik o’zgartirgichning ishlash temperaturasi. Termoelektrik o’zgartirgichlar keng qo’llanilishi uchun 500-1000K temperatura oralig’ida ZT>2 talab qilinadi.
Ammo hozirgacha legirlangan silikat shishaning termolektrik xossalari deyarli o’rganilmagan, vaholanki uning past issiqlik o’tkazuvchanligi
κ ≈ 0.5-1 Vt/(mK)) va yuqori elektr o’tkazuvchanligi (σ ≈ 400-4000 Ω^-1m^-1) yuqori ZT ni taminlashi mumkin [1].
Shu sababli eksperimental va nazariy usullarni birashtirib, tadqiqot chegaralarini kengaytirib, legirlangan silikat shishada elektr o’tkazuvchanlik va termoeyuk hosil bo’lishining mehanizmlarini, bu hodisalar shisha tarkibi va strukturasining o’ziga xos jihatlari bilan qanday bog’langanligini aniqlash kondensirlangan holat fizikasi hamda keng tarqalgan xavfsiz haomashyodan arzon, samaradorligi yuqori termoelektrik materiallar yaratish uchun zarurligi dissertatsiya mavzusining dolzarbligini belgilaydi. Undan tashqari doktorantning magistrlik dissertatsiyasidan kelib chiqib silikat shishada metal oksidlarining diffuziyasi - chiziqli emas balki nochiziqli ekanligi mavzuning muhimligini ifodalaydi.

Energiyaning eng universal va ishlatishga qulay turi elektr energiyasi boʼlgani uchun tashlandiq issiqlikdan elektr energiyasi olish usullari va qurilmalarini yaratish dunyo boʼylab olib borilayotgan ilmiy tadqiqotlarning dolzarb yoʼnalishlaridan biri. Hisob-kitoblarga koʼra, Oʼzbekistonda tashlandiq issiqlikning 20 foizi elektr energiyasiga aylantirilsa, mamlakatimizdagi barcha elektr stantsiyalari ishlab chiqarayotgan elektr energiyasining deyari 70 foizini taʼminlash va yuqorida koʼrsatilgan vazifaning asosiy qismini qoʼshimcha yonilgʼi sarflamasdan bajarish, shu bilan birga atrof-muhit ifloslanishini kamaytirish mumkin boʼlar edi.

Ixtisoslik masalalarining dolzarbligi
Butun dunyoda tashlandiq issiqlikdan elektr energiyasi olishning eng istiqbolli usuli termoelektrik generatorlar va rektennalar (rectifier+antenna, yaʼni toʼgʼrilagich+antenna) ekanligi tan olingan. Аmmo mavjud termoelektrik generatorlar samaradorligi past va narxi balandligidan keng qoʼllanilmaydi, va buning sababi - shu kungacha ishlatib kelinayotgan, kamyob va zaharli, texnologiyasi murakkab termoelektrik materiallar boʼlib, ikkala omil ham bu usul asosidagi fizikaviy jarayonlarning yetarlicha oʼrganilmaganligidan kelib chiqqan.
Mamlakatimizda ishlab chiqarishni mahalliylashtirish, sanoatning ilmiy hajmdor sohalarini yaratish iqtisodiyot rivojining dolzarb yoʼnalishlaridan hisoblanadi. Bunda yangi texnologiyalar asosida energiya tejamkorligini taʼminlash, qayta tiklanuvchan va muqobil energiya manbalaridan keng foydalanish alohida ahamiyatga ega. Shunga koʼra keng tarqalgan, bezarar va texnologiyasi oddiy xomashyodan samarali termoelektrik materiallar yaratish dolzarb masala. Shunday materiallardan biri legirlangan silikat shisha boʼlib, dastlabki hisob-kitoblarga koʼra undan keng qoʼllanishga mos termoelektrik generatorlar yaratish mumkin.
Metall oksidlari bilan legirlangan silikat shisha elektr oʼtkazuvchanlik xossalari bilan metallar va yarimoʼtkazgich (dielektrik) lardan keskin farq qiladi:
1) legirlash natijasida silikat shishaning solishtirma qarshiligi deyarli 18 darajaga (1016 Om·sm dan 10-2 Om·sm gacha) pasayadi;
2) solishtirma qarshilikning temperatura boʼylab oʼzgarishida minimum paydo boʼladi;
3) minimumdan keyin “metall” oʼtkazuvchanlik paydo boʼladi;
4) 700°S atrofida solishtirma qarshilik 5-6 martagacha, termoEYuK koeffitsienti 100 martagacha oshadi.
Аmaliy jihatdan legirlangan silikat shisha asosidagi mahsulotning asosiy afzalliklari – texnologiyasi oddiyligi, xomashyo keng tarqalgani va bezararligi, turli tashqi taʼsirlarga chidamliligi. Legirlangan silikat shishadan rezistorlar tayyorlash texnologiyasi yaratilganiga yarim asrdan oshgan va bunday mahsulotlar dunyoda yiliga 100 mlrd. donadan koʼproq ishlab chiqarilsa, uning elektr oʼtkazuvchanlik xossalarini oʼrganishga mingga yaqin maqola va monografiyalar bagʼishlangan boʼlsa ham, bu materialda elektr oʼtkazuvchanlik mexanizmi yetarlicha oʼrganilgan emas. Jumladan, legirlash jarayonida silikat shisha bilan ligaturaning oʼzaro taʼsiri haqida qarama-qarshi fikrlar mavjud.
Shunga koʼra legirlangan silikat shishani legirlash jarayonida ligatura bilan shishaning oʼzaro taʼsirini, shu jumladan ligatura atomlarining shishaga diffuziyasini oʼrganish orqali bu materialning termoelektrik xossalarini boshqarish yoʼllarini topish dolzarb muammo. Natijada keng tarqalgan, bezarar, texnologiyasi oddiy xomashyodan samarali va arzon, keng qoʼllanishga mos termoelektrik generatorlar yaratish mumkin boʼladi.
Muqobil energiya manbalaridan elektr energiyasi olish va tashlandiq issiqlikni elektr energiyasiga aylantirish orqali energiya samaradorligini oshirish uchun eng maʼqul usul sifatida butun dunyoda termoelektrik generatorlar tan olingan. Mavjud termoelektrik generatorlarning asosiy kamchiliklari - FIKi pastligi va narxi balandligini yengib oʼtish va bu generatorlarning keng qoʼllanishiga yoʼl ochish maqsadida turli materiallarning termoelektrik xossalari keng koʼlamda oʼrganilmoqda [1]-[3]. Bunday termoelektrik materiallarga qoʼyiladigan asosiy talablar – arzonligi, texnologiyasi oddiyligi, xomashyosi keng tarqalgani va bezararligi. Shunday istiqbolli materiallardan biri - metall oksidlari bilan legirlangan silikat shisha [4]-[6]. Legirlash natijasida silikat shishaning solishtirma qarshiligi deyarli 18 darajaga (1016 Om·sm dan 10-2 Om·sm gacha) pasayadi, termoEYuK koeffitsenti esa deyarli 100 marta (15-20 mkV/K dan 1700 mkV/K gacha) oshadi. Dastlabki tadqiqot natijalariga koʼra legirlangan silikat shishada FIK ni 20 % ga yetkazish mumkin boʼladi [7]. Аmmo bu materialni termoelektrik generatorlarda keng qoʼllash uchun legirlash jarayonida shisha va ligaturaning oʼzaro taʼsirini, bu jarayonning elektr oʼtkazuvchanligi va termoEYuK koeffitsientiga taʼsirini chuqurroq oʼrganish lozim. Bunda asosiy ishchi faraz (gipoteza) qilib ligatura atomlarining shishaga diffuziyasi olgʼa surilmoqda-ki, oqibatda shishaning oʼzi oʼtkazuvchan boʼladi. Аmmo bu jarayon shu paytgacha deyarli oʼrganilmagan. Doktorant oʼtkazgan dastlabki tajriba natijalariga koʼra [8]-[9] bu diffuziya nochiziqli boʼlib, odatdagi Fik qonuniga mos emas.
Shunga koʼra aytish mumkin-ki, dissertant oldiga qoʼyilgan vazifalar dolzarb va bajarilishi mumkin, koʼzlangan natijalar olinishi aniq.
Mazkur dissertatsiyada ligatura atomlarining silikat shishaga legirlash jarayonida diffuziyasini va uning elektr oʼtkazuvchanligi hamda termoEYuK koeffitsientiga taʼsirini oʼrganish koʼzda tutiladi.
Bunday ilmiy yondoshuv dunyoda birinchi marta olgʼa surilmoqda va unga asos – legirlangan silikat shishaning elektr oʼtkazuvchanligiga legirlash sharoitining (temperatura va davomiylik) tajribada koʼrilgan taʼsiri, bu material xossalarining metallar va yarimoʼtkazgichlardan keskin farq qilishi.
Bu yondashuvni asoslash uchun qoʼllaniladigan usullar turli tarkibli silikat shishani legirlash va elektro mikrozond yordamida lokal tarkibini (asosan ligatura atomlarining kontsentratsiyasini) aniqlash, toʼrt zondli qurilmada va termoEYuK koeffitsientini oʼlchash qurilmasida shu namunalarda elektr oʼtkazuvchanligini va termoEYuK koeffitsientini aniqlash hamda uchala usulda olingan natijalarni solishtirish orqali diffuziya jarayonining qonuniyatlarini, bu jarayonning elektr oʼtkazuvchanligi va termoEYuK bilan bogʼliqligini aniqlash, jarayonning kompyuter modelini oʼrganish.
Zamonaviy elektronika va kompyuterlarda, ilmiy tadqiqot qurilmalarida, texnologik jarayonlarni nazorat qilish hamda boshqarishda, mehnat hamda atrof-muhit muhofazasida qalin qatlamli texnologiya asosida tayyorlanadigan rezistorlar va datchiklar (sensorlar) keng qoʼllaniladi. Bu texnologiyaning asosi - metall oksidlari bilan legirlangan silikat shisha boʼlib, elektr oʼtkazuvchanlik xossalari bilan u metallar va yarimoʼtkazgich (dielektrik) lardan keskin farq qiladi:
Mamlakatimizda ishlab chiqarishni mahalliylashtirish, sanoatning ilmiy hajmdor sohalarini yaratish iqtisodiyot rivojining dolzarb yoʼnalishlaridan hisoblanadi. Bunda yangi texnologiyalar asosida energiya tejamkorligini taʼminlash, qayta tiklanuvchan va muqobil energiya manbalaridan keng foydalanish alohida ahamiyatga ega. Tashlandiq issiqlikdan elektr energiyasi olish orqali energiya tejamkorligini taʼminlashda termoelektrik generatorlar alohida oʼrin tutadi. Mavjud termoelektrik generatorlar samaradorligi past va narxi balandligidan keng qoʼllanilmaydi, va buning sababi - shu kungacha ishlatib kelinayotgan, kamyob va zaharli, texnologiyasi murakkab termoelektrik materiallar. Shunga koʼra keng tarqalgan, bezarar va texnologiyasi oddiy xomashyodan samarali termoelektrik materiallar yaratish dolzarb masala. Shunday materiallardan biri legirlangan silikat shisha boʼlib, dastlabki hisob-kitoblarga koʼra undan keng qoʼllanishga mos termoelektrik generatorlar yaratish mumkin. Аmmo bunda yuqorida koʼrsatilgan muammolarni hal etish lozim.

Silikat shisha ilgaridan ma’lum eng qiziqarli materiallardan biridir. Shisha fan, texnika va kundalik hayotda keng ko’lamda ishlatilishiga qaramasdan, uning fizikasida bir qator muammolar mavjud. Masalan modda tuzilishi (strukturasi, ya’ni atomlarning fazoda o’zaro joylashuvi) uning fizikaviy xossalariga kuchli ta’sir ko’rsatishi fanda ma’lum. Ammo ko’pgina modellar taklif qilinganiga qaramay, shishaning tuzilishi deyarli bir asr davomida dunyo olimlari o’rtasida qizg’in baxslarga sabab bo’lib kelmoqda, sababi kristall moddalarning tuzilishini o’rganishda qo’llaniladigan eksperimental usullar (rentgen nurlari, elektronlar va neytronlar difraksiyasi) shisha tarkibining murakkabligi va uning tuzilishida uzoq tartib yo’qligi tufayli yetarli samara bermaydi. Energetik zonalar modeli va u bilan bog’liq tasavvurlarni (zaryad tashuvchilar effektiv massasi, harakatchanligi) shisha qay darajada qo’llash mumkinligi ham har bir muayyan vaziyatda asoslashni talab etadi.

Keyingi yillarda turli elektron asboblarda keng qo’llanilayotgan qalin qatlamli rezistorlarning asosi bo’lgan oraliq metallar oksidlari (xususan RuO2) bilan legirlangan silikat shishaning elektr xossalarini o’rganish qo’shimcha fizikaviy muammolar borligini ko’rsatdi. Masalan, ma’lum bo’ldiki, solishtirma qarshiligining temperatura bo’ylab o’zgarishi p(T) past temperaturalarda (T<50K), na kristall yarimo’tkazgichlarnikiga ( aktivatsiya qonuni ln p~exp(E/Kt)^-1 va na amorf moddalarnikiga (Mott qonuni ln p~T^-0.25) o’xshaydi. p(T)ning oraliq temperaturalarda kuzatiladigan minimum mavjud fizikaviy tasavvurlarga mos kelmaydi, undan keyin esa shishaning taqiqlangan zonasi kengligi 3 eV dan ortiqroq dielektrik, deb qaraydigan tasavvurga zid metalsimon (p~T yoki p~T2) o’tkazuvchanlik paydo bo’ladi.
Keying yillarda termoelektrik hodisalarga qiziqish kuchaydi, chunki qayta tikanuvchi energiya manbalaridan elektr energiyasi olish, energetik chiqindilardan foydalanish sovutish va isitish tizimi uchun termoelektrik o’zgartirgichlardan foydalanish muhim ro’l o’ynaydi.
Termoelektrik hodisalar elektron energetik holatlarining zichligi, yashirin struktura (faza) o’tishlari, elektron tizimining holati, elektron va fononlarning o’zaro ta’siri haqida ma’lumot berishi mumkin. Amaliyot uchu esa materiallarning elektr o’tkazuvchanligi σ, issiqlik o’tkazuvchanligi κ va termoeyuk koeffitsiyenti ( Zeebak koeffitsiyenti) S bilan bog’langan termoelektrik sifatliligi ZT = S2σT/κ muhim ahamiyatga ega. Bunda T- termoelektrik o’zgartirgichning ishlash temperaturasi. Termoelektrik o’zgartirgichlar keng qo’llanilishi uchun 500-1000K temperatura oralig’ida ZT>2 talab qilinadi.
Ammo hozirgacha legirlangan silikat shishaning termolektrik xossalari deyarli o’rganilmagan, vaholanki uning past issiqlik o’tkazuvchanligi
κ ≈ 0.5-1 Vt/(mK)) va yuqori elektr o’tkazuvchanligi (σ ≈ 400-4000 Ω-1m-1) yuqori ZT ni taminlashi mumkin [1].
Shu sababli eksperimental va nazariy usullarni birashtirib, tadqiqot chegaralarini kengaytirib, legirlangan silikat shishada elektr o’tkazuvchanlik va termoeyuk hosil bo’lishining mexanizmlarini, bu hodisalar shisha tarkibi va strukturasining o’ziga xos jihatlari bilan qanday bog’langanligini aniqlash kondensirlangan holat fizikasi hamda keng tarqalgan xavfsiz haomashyodan arzon, samaradorligi yuqori termoelektrik materiallar yaratish uchun zarurligi dissertatsiya mavzusining dolzarbligini belgilaydi. Undan tashqari doktorantning magistrlik dissertatsiyasidan kelib chiqib silikat shishada metal oksidlarining diffuziyasi - chiziqli emas balki nochiziqli ekanligi mavzuning muhimligini ifodalaydi.
Ushbu dissertatsiya ishi termoelektrik materiallar yaratish orqali quyidagi normativ hujjatlarlarni amalga oshirilishiga yo’naltirilgan:
1. Oʼzbekiston Respublikasi Prezidentining 2019 yil 22 avgustdagi “Iqtisodiyot tarmoqlari va ijtimoiy sohaning energiya samaradorligini oshirish, energiya tejovchi texnologiyalarni joriy etish va qayta tiklanuvchi energiya manbalarinirivojlantirishning tezkor chora-tadbirlari toʼgʼrisida”gi PP-4422–son Qarori.
2. Oʼzbekiston respublikasini 2030-yilgacha elektr energiyasi bilan taʼminlash kontseptsiyasi.
3. Oʼzbekiston Respublikasi Prezidentining 2019 yil 04 oktyabrdagi “2019 —2030 yillar davrida Oʼzbekiston Respublikasining «yashil» iqtisodiyotga oʼtish strategiyasini tasdiqlash toʼgʼrisida”gi PP-4477-son Qarori.
Mamlakatimizda qayta tiklanuvchi energiya manbalari va energetik chiqindilardan foydalanish, qurilmalarning samaradorligini oshirish va narxini pasaytirish va ularni atrof muhitga ekologok toza, bezarar holatda bo’lishi uchun yangi termoelektrik materiallar yaratish ustida amalga oshirilayotgan tadqiqotlarni yanada chuqurlashtirish dissertatsiya mavzusi zaruriyatini izohlovchi muhim omil hisoblanadi.