Please use this identifier to cite or link to this item: http://ena.lp.edu.ua:8080/handle/ntb/39803
Title: Оптимізований метод вимірювання позитронних анігіляційних спектрів у наноматеріалах з розвиненою поруватістю для сенсорних застосувань
Authors: Клим, Галина
Костів, Юрій
Чалий, Дмитро
Івануса, Андрій
Ткачук, Тарас
Affiliation: Національний університет “Львівська політехніка”
Львівський державний університет безпеки життєдіяльності
Bibliographic description (Ukraine): Оптимізований метод вимірювання позитронних анігіляційних спектрів у наноматеріалах з розвиненою поруватістю для сенсорних застосувань / Г. Клим, Ю. Костів, Д. Чалий, А. Івануса, Т. Ткачук // Вимірювальна техніка та метрологія : міжвідомчий науково-технічний збірник / Міністерство освіти і науки України ; відповідальний редактор Б. І. Стадник. – Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2016. – Випуск 77. – С. 87–93. – Бібліографія: 25 назв.
Issue Date: 2016
Publisher: Видавництво Львівської політехніки
Country (code): UA
Place of the edition/event: Львів
UDC: 620.179.1.05
Keywords: позитронна анігіляційна спектроскопія
метод дослідження структури
сенсорна кераміка
нанопори
адсорбція
позитронная аннигиляционная спектроскопия
метод исследования структуры
сенсорная керамика
нанопоры
адсорбция
positron annihilation lifetime spectroscopy
method to structural investigation
sensor ceramics
nanopores
adsorption
Number of pages: 87–93
Abstract: Запропоновано та використано оптимізований за апаратною складністю метод вимірювання позитронних анігіляційних спектрів для дослідження вологочутливої кераміки MgО-Al2O3 з розвиненою нанопоруватістю. Показано, що в разі розкладу спектрів на чотири компоненти вдається оцінити розміри нанопор за моделлю Тао-Ельдрупа та вивчити процеси, які відбуваються в них. Встановлено, що частка нанопор радіусом ~1,5 нм на порядок перевищує частку пор з радіусом ~ 0,3 нм, в яких також відбувається анігіляція ортопозитронію у адсорбованій воді. Предложен и использован оптимизированный за аппаратной сложностью метод измерения позитронных аннигиляционных спектров для исследования влагочувствительной керамики MgО-Al2O3 с развитой нанопористостью. Показано, что при разложении спектров на четыре компоненты удается оценить размеры нанопор по модели Тао-Ельдрупа и изучить процессы, происходящие в них. Установлено, что доля нанопор радиусом ~ 1,5 нм на порядок превышает долю пор с радиусом ~ 0,3 нм, в которых также происходит аннигиляция ортопозитрония в адсорбированной влаге. An optimized by hardware complexity method for measuring of positron annihilation lifetime spectra was proposed and used to investigation of humidity-sensitive MgO-Al2O3 ceramics with advanced nanoporosity. Positron-positronium annihilation spectrum were analyzed using four-component fitting procedures. It is shown that this technique can be used to investigation of nanopores transformation in humidity-sensitive MgO-Al2O3 ceramics as porosimetry method. It is shown that Tao-Eldrup model can be used for study of size of nanopores smaller then 1,5 nm. It has been shown that for MgO-Al2O3 ceramics two positron annihilation channels should be considered – the positron trapping with shortest t1 and middle t2 lifetimes and ortho-positronium decaying with the longest t3 and t4 lifetimes, these channels being independent ones. Assuming the two-state positron trapping model for spinel ceramics, four components in the fit of the experimental spectra can be associated with the microstructure peculiarities of the spinel. This microstructure exhibits characteristic octahedral and tetrahedral cation vacancies (t1, I1), positron trapping extended defects located near grain boundaries and positron traps in the free-volume entities (t2, I2). Ortho-positronium decay in nanopores of ceramics is described by t3, I3 and t4, I4. Within the formalism of this model, the open volume entities free of the electron density are treated as defects, while hypothetical structure without these entities is treated as the defect-free bulk. It is established that the third component of lifetime spectra gives information about ortho-positronium decaying in nanopores with water and fourth component reflects ortho-positronium trapping in free-water volume of nanopores. It is established that in inner structure ceramic materials there are two types of nanopores. The intensity of the third component of the spectrum increases in water-filled samples, while the intensity of four components – decreases. The most significant changes caused by water adsorption processes are observed in largest nanopores with radius of ~1,7 nm. Reducing the value of the lifetime t4 after drying of ceramics can be due to the formation of thin layers of water molecules surrounding the large pores. The lifetime t3 decreases after water vapor of ceramics with a gradual increase in drying and intensity I3 grows, indicating annihilation of ortho-positronium in water-filled nanopores. The presence of water in the nanopores of smaller radius of ~0.3 nm after drying reflects increasing of intensity I3 and a slight decreasing of lifetime t3. It is noted that ortho-positronium lifetime ~1,7 ns reflects the annihilation in the water “bubbles” with radius of ~0.3 nm.
URI: http://ena.lp.edu.ua:8080/handle/ntb/39803
References (Ukraine): 1. Farahani Р., Rahman W., Hamidon M. N. Humidity sensors principle, mechanism, and fabrication technologies: a comprehensive review // Sensors. – 2014. – Vol. 14, No. 5. – P. 7881–7939. 2. Nitta T., Hayakawa S. Ceramic humidity sensors // IEEE Trans. Components Hybrids Manuf. Technol. – 1980. – Vol. 3. – P. 237–243. 3. Shpotyuk O., Filipecki J., Klym H., Ingram A. Combined XRD, xps and pals characterization of humidity-sensitive MgAl2O4 ceramics // Visnyk Lviv Univ.: Ser. Physic. – 2009. – No. 43. – P. 199–208. 4. Klym H., Ingram A., Shpotyuk O., Filipecki J., Hadzaman I. Extended positrontrapping defects in insulating MgAl2O4 spinel-type ceramics // Physica Status Solidi (c). – 2007. – Vol. 4, No. 3. – P. 715–718. 5. Gusmano G., Montesperelli G., Traversa E., Mattogno G. Microstructure and electrical properties of MgAl2O4 thin films for humidity sensing // J. Am. Ceram. Soc. – 1993. – Vol. 76. – P. 743–750. 6. Seiyama T., Yamazoe N., Arai H. Ceramic humidity sensors // Sensors and Actuators. – 1983. – Vol. 4. – Р. 85–96. 7. Weaver P.M., Cain M.G., Stewart M., Anson A., Franks J., Lipscomb I.P., McBride J.P., Zheng D., Swingler J. The effects of porosity, electrode and barrier materials on the conductivity of piezoelectric ceramics in high humidity and dc electric field // Smart Materials and Structures. – 2012. – Vol. 21. –P. 045012–9. 8. Armatas G.S., Salmas C. E., Louloudi M. G., Androutsopoulos P., Pomonis P. J. Relationships among pore size, connectivity, dimensionality of capillary condensation, and pore structure tortuosity of functionalized mesoporous silica // Langmuir. – 2003. – Vol. 19. – P. 3128–3136. 9. Kashi M. A., Ramazani A., Abbasian H., Khayyatian A. Capacitive humidity sensors based on large diameter porous alumina prepared by high current anodization // Sensors and Actuators A. – 2012. – Vol. 174. – P. 69–74. 10. Klym H., Ingram A., Hadzaman I., Shpotyuk O. Evolution of porous structure and free-volume entities in magnesium aluminate spinel ceramics // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40. – P. 8561–8567. 11. Klym H., Hadzaman I., Shpotyuk O. Influence of sintering temperature on pore structure and electrical properties of technologically modified MgO-Al2O3 ceramics // Materials Science- Medziagotyra. – 2015. –Vol. 21, No. 1. – P. 92–95. 12. Asami K., Mitani S., Fujimori H., Ohnuma S., Masumoto T. Characterization of Co-Al-O magnetic thin films by combined use of XPS, XRD and EPMA // Surface and Interface Anal. – 1999. – Vol. 28, No. 1. – P. 250– 253. 13. Asami K., Ohnuma T. XPS and x-ray diffraction characterization of thin Co-Al-N alloy films prepared by reactive sputtering deposition // Surface and Interface Anal. – 1998. – Vol. 26, No. 9. – P. 659–666. 14. Barrett E. P., Joyner P. H., Halenda P. P. The determination of pore volume and area distributions in porous substances // J. Am. Chem. Soc. – 1951. – Vol. 73. – P. 373. 15. Davies P., Randle V. Grain boundary engineering and the role of the interfacial plane // Materials Science and Technology. – 2001. – Vol. 17. – P. 615–626. 16. Krause-Rehberg R, Leipner HS: Positron annihilation in semiconductors. Defect studies: Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York, 1999. 17. Klym H. Nanoporous study of humiditysensitive MgAl2O4 ceramics with positron annihilation lifetime spectroscopy // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. – 2011. – Vol. 14, No 1. – P. 109–113. 18. Tao S. J. Positronium annihilation in molecular substance // Journal of Chemical Physics. – 1972. – Vol. 56, No. 11. – P. 5499–5510. 19. Eldrup M., Lightbody D., Sherwood J. N. The temperature dependence of positron lifetimes in solid pivalic acid // Chemical Physics. – 1981. – Vol. 63. – P. 51–58. 20. Klym H., Ingram A., Shpotyuk O., Hadzaman I., Solntsev V. Watervapor sorption processes in nanoporous MgO-Al2O3 ceramics: the PAL spectroscopy study // Nanoscale research letters. – 2016. – Vol. 11:133. – P. 1–7. 21. Klym H., Ingram A., Kochan R. Methodological approach and treatment algorithms for PAL data of nanomaterials using computer-based systems // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2014. – No. 6(70). – P. 125–129. 22. Klym H., Karbovnyk I., Vasylchyshyn I. Multicomponent positronium lifetime modes to nanoporous study of MgO-Al2O3 ceramics // Proceedings of the XIIIth International Conference “Modern problems of radio engineering, telecommunications, and computer science” TCSET’2016, Lviv-Slavsko, Ukraine, February 23–26, 2016. – P. 406-408. 23. Klym H., Ingram A. Unified model of multichannel positron annihilation in nanoporous magnesium aluminate ceramics // Journal of Physics: Conf. Ser. – 2007. – Vol. 79. – P. 012014–1–6. 24. Kansy J., Positronium trapping in free volume of polymers // Radiation Physics and Chemistry. – 2000. – Vol. 58. – P. 427–431. 25. Goworek T. Comments on the relation: positronium lifetime–free volume size parameters of the Tao–Eldrup model // Chemical Physics Letters. – 2002. – Vol. 366, No. 1. – P. 184–187.
Content type: Article
Appears in Collections:Вимірювальна техніка та метрологія. – 2016. – Випуск 77

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
vyp_77_Vymir-tech-87-93.pdf311,24 kBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.