Особливості теплофізичних властивостей нанорозмірних композитів з розвинутим інтерфейсом

У вcтyпi обґрунтовано актуальність, сформульвано мету, об'єкт та предмет дослідження, зазначена наукова новизна отриманих результатів та ïх практичне значення. Вказано методи досліджень у дисертаційній роботі та особистий внесок здобувача, наведені данні про апробацію роботи та публікаціï авторки.
У першомy роздiлi розглядається аналіз фотоакустичних та фототермічних явищ як ключових інструментів для вивчення фізичних властивостей наноматеріалів. Описані основні принципи цих явищ, ïхні особливості в залежності від матеріалів, що вивчаються, та методи дослідження, такі як фотоакустичне дослідження та комбінаційне розсіювання світла, для отримання інформаціï про теплові та акустичні характеристики наноматеріалів. Також розглянуті відомі методи отримання наноструктур, зокрема, поруватого кремнію та нанониток, з фокусом на таких методах, як хімічне травлення та метод пара–рідина–тверде тіло. Дано огляд літературних даних щодо фізичних характеристик фотоакустичного перетворення в наноструктурах та вплив нагріву на спектр комбінаційного розсіяння світла в поруватих зразків кремнію, а також висвітлено важливість проведення власних експериментальних досліджень теплопереносу в нанокомпозитах, таких як поруватий кремній з рідинними наповнювачами, кремнієві нанонитки та кремнієві мультишарові структури, за допомогою фотоакустичних методів та комбінаційного розсіювання світла.
У другому розділі дисертаційної роботи розглядаються етапи виготовлення, структура та характеристика досліджуваних наноструктурних матеріалів. Описані виготовлення структурних модифікацій, зокрема травлення мезопоруватого кремнію, створення мультишарового кремнію (з або без механічного змішування хімічного розчину), кремнієвих наноструктур та масивів кремнієвих нанониток, а також синтез іонних рідин та створення нанокомпозиту "порувата матриця/рідина".
Здійснена характеристика морфологічної структури поруватої матриці кремнію за допомогою різноманітних методів, таких як сканувальна електронна мікроскопія, що надає важливі дані про форму та розміри пор у матриці. Це є важливим для визначення основних параметрів матриці, які впливають на фізичні властивості та можливості взаємодії з іншими компонентами нанокомпозиту. Визначено густину та питому теплоємність іонних рідин.
Описано процедури створення наноструктурних композитів: заповнення поруватої матриці рідиною. Для мультишарових зразків модифікованого кремнію обрано нелетку рідину (технічне масло), а для зразків мезопоруватого кремнію використано дві імідазоліє та одну амоній іонну рідину. Ступінь заповнення поруватої матриці рідиною становив не менше 95%.
У третьому розділі досліджено особливості фототермічного перетворення в мультишарових поруватих кремнієвих системах. Експерименти проводилися на зразках з періодичним розподілом оптичних властивостей. Запропонована модель, яка дозволяє визначити просторовий розподіл джерел тепловиділення та температури при поглинанні модульованого світла, продемонструвала, що глибина генерації джерел тепла залежить від поруватості та діелектричних характеристик окремих шарів кремнію та інших факторів. Експериментальна амплітудно-частотна залежність була відповідно підігнана до розробленої моделі для вилучення теплопровідності багатошарових структур. Цей підхід успішно використовувався при декількох довжинах хвиль збудження, що сприяло мінімізації середнього квадрата і підвищенню точності отриманих значень.
У четвертому розділі проведено характеристику двох імідазолієвих та однієї амонійної іонних рідин за допомогою методів диференціальної сканувальної калориметрії та фотоакустичного методу з п'єзоелектричною реєстрацією. Експериментально визначені амплітудно-частотні характеристики фотоакустичного сигналу газомікрофонним методом в композитах на основі поруватого кремнію, які були заповнені імідазолієвими та амонійними іонними рідинами. Застосовано метод критичної частоти для визначення теплопровідності цих композитів та поруватого кремнію без додаткових наповнювачів.
У п'ятому розділі досліджуються залежності теплофізичних параметрів кремнієвих нанониток використовуючи метод комбінаційного розсіяння світла. У цьому контексті встановлено важливий зв'язок між положенням спектральної лінії кремнію, зміною температури зразка та потужністю лазера. Запропоновано модель теплопереносу в масиві квантових ниток на монокристалічній кремнієвій підкладці, а результати чисельних розрахунків представлено для анізотропного та ізотропного наближень. Експериментально визначено тепловий опір та коефіцієнти теплопровідності масивів кремнієвих нанониток з урахуванням їхніх фізичних характеристик, таких як морфологія, орієнтація поверхні, легування та електричний опір пластини. Розроблено модель теплопереносу в масиві кремнієвих квантових ниток, що базується на чисельних розрахунках для різних наближень розподілу теплопровідності. Ця модель дозволяє краще розуміти розподіл температури в зразках та визначати тепловий опір в залежності від коефіцієнтів теплопровідності.Отримані експериментальні дані були використані для корегування вихідних параметрів модельних розрахунків та порівняння їх з теоретичними значеннями.

In the introduction, was substantiated the relevance, formulated the purpose, object and subject of the study, indicated the scientific novelty of the results and their practical significance. The methods of research used in the thesis and the personal contribution of the applicant are indicated, as well as data on the approbation of the work and the author's publications.
The first chapter analyzes photoacoustic and photothermal phenomena as key tools for studying the physical properties of nanomaterials. The main regularities of these phenomena, their peculiarities according to the materials under study, and research methods for obtaining information on the thermal and acoustic characteristics of nanomaterials, such as photoacoustic microscopy and Raman scattering, are described. Also, familiar methods for producing nanostructures, such as disrupted silicon and nanofibers, are reviewed, with a focus on methods such as chemical etching and the vapor-liquid-solid method. A review of the literature on the physical characteristics of photoacoustic conversion in nanostructures and the effect of heating on the Raman spectra of porous silicon samples is given. The importance of conducting our own experimental studies of heat transfer in such nanocomposites as porous silicon with liquid fillers, silicon nanowires, and silicon multilayer structures using photoacoustic methods and Raman scattering is highlighted.
The second chapter of the thesis was discussed the stages of manufacturing, structure, and characterization of the studied nanostructured materials. The fabrication of structural modifications, in particular, etching of mesoporous silicon, formation of multilayer silicon (with or without mechanical mixing of the chemical solution), silicon nanostructures and arrays of silicon nanowires, as well as the synthesis of ionic liquids and the creation of a porous matrix/liquid nanocomposite are described.
The morphological structure of the porous silicon matrix was characterized using such methods as scanning electron microscopy, which provides important data on the shape and size of the pores in the matrix. This is important for determining the main parameters of the matrix, which have an influence on the physical properties and the possibility of interaction with other components of the nanocomposite. The density and specific heat capacity of ionic liquids were determined.
The procedures for filling the porous matrix with liquid are described. For multilayered samples of modified silicon, a non-volatile liquid (industrial oil) was chosen, and for samples of meso-porous silicon, two imidazolium and one ammonium ionic liquids were used. The degree of filling of the porous matrix with liquid was at least 95%.
In the third chapter, the features of photothermal conversion in multilayer porous silicon systems are investigated. The experiments were performed using samples with a periodic distribution of optical properties. The model was proposed for determining the spatial distribution of heat sources and temperature during the absorption of modulated light, showing that the depth of heat source generation depends on the porosity and dielectric characteristics of individual silicon layers and other factors. The experimental amplitude- frequency dependence was fitted to the developed model to obtain the thermal conductivity of multilayered structures. This approach was successfully used at several excitation wavelengths, which helped to minimize deviations and improve the accuracy of the obtained values.
In the fourth chapter, it was characterized two imidazolium and one ammonium ionic liquids using differential scanning calorimetry and the photoacoustic method with piezoelectric recording. The amplitude-frequency characteristics of the photoacoustic signal were experimentally determined using the gas microphone method in composites based on porous silicon filled with imidazolium and ammonium ionic liquids. The critical frequency method was used to determine the thermal conductivity of these composites and porous silicon without additional fillers.
In the fifth chapter, the dependence of the thermophysical parameters of silicon nanoribbons was studied using the method of Raman scattering. In this context, the relation between the position of the silicon spectral line, the change in sample temperature, and the laser power is determined. A model of heat transfer in an array of quantum wires on a single- crystal silicon substrate is proposed, and the results of numerical calculations are presented for the anisotropic and isotropic approximations. The thermal resistance and thermal conductivity coefficients of the silicon nanowire arrays were experimentally determined taking into account their physical characteristics, such as morphology, surface orientation, doping, and electrical resistance of the wafer. A model of heat transfer in an array of silicon quantum nanowires based on numerical calculations for various approximations of the thermal conductivity distribution has been developed. This model allows us to better understand the temperature distribution in the samples and determine the thermal resistance depending on the thermal conductivity coefficients.The obtained experimental data were used to correct the initial parameters of the model calculations and compare them with theoretical values.
In conclusion, eight main conclusions are presented that fully represent the main results and scientific novelty of the research performed in this thesis.

Чепела Л. І. Особливості теплофізичних властивостей нанорозмірних композитів з розвинутим інтерфейсом : ди. ... д-ра філос. : 104 Фізика та астрономія / Чепела Леся Ігорівна. - Київ, 2024. - 145 с.