Dielektrična spektroskopija nanoporoznih dielektrika

diplomski rad

• Naslov (engleski): Dielectric spectroscopy of nanoporous dielectrics
• Autor: Luka Vanjur
• Mentor: Tomislav Vuletić (mentor)
• Mentor: Maja Planinić (mentor)
• Član povjerenstva: Maja Planinić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Tomislav Vuletić (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Željko Skoko (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Danko Radić (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Mirko Planinić (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Prirodoslovno-matematički fakultet; (Fizički odsjek); Zagreb
• Datum i država obrane: 2017-10-06, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: PRIRODNE ZNANOSTI; Fizika

Sažetak

Nanoporozni materijali i membrane u tekućem mediju mogle bi se u budućnosti koristiti za različite svrhe, od proizvodnje snage i pročišćivanja slane vode do nekih naprednijih koncepata poput DNA sekvenciranja. Sve ove potencijalne upotrebe bazirane su na sposobnosti malih iona da prolaze kroz pore i selektivnosti propuštanja koja proizlazi iz malih dimenzija samih pora. Mi smo proučavali električna transportna svojstva nanoporozne membrane alumine (Al2O3) u tekućem okruženju. Ovaj nanoporozni dielektrik formiran je nakon isparavanja rešetke deponiranih kvantnih točaka Ge u alumini. Kvantne točke su deponirane u alumini magnetskim raspršenjem. Mjerenja vodljivosti vršena su na membrani u različitim koncentracijama elektrolitske otopine (NaCl) u rasponu od 1uM do 1M. DC i AC (na 1MHz) vodljivost mjerena je na membrani u polimernoj komori. Kao kontrolu, mjerili smo vodljivost elektrolitske otopine u polimernoj komori bez membrane. Rezultati mjerene vodljivosti nisu pokazali značajan utjecaj membrane na vodljivost otopine - vodljivost je linearno proporcionalna koncentraciji dodane soli. Primijećenu saturaciju vodljivosti na niskim koncentracijama dodane soli pripisali smo zagađenju otopine od komore. Mjerenjem u različitim komorama uspjeli smo sniziti koncentraciju zagađenja za dva reda veličine. Ovaj, naizgled trivijalan rezultat povezali smo sa sličnim rezultatom primijećenim u Feng et al. (Nature 2015), gdje je saturacija pripisana površinski vezanim nabojima unutar nanopore. Kako bismo dodatno provjerili utjecaj membrane na vodljivost, proveli smo dielektričnu spektroskopiju u rasponu frekvencija (100Hz - 100MHz) iz čega smo odredili veličinu nanopora u membrani. Relaksacijsko vrijeme modova detektiranih dielektričnom spektroskopijom odražavaju proces rearanžiranja iona dodane soli u zatvorenom prostoru nanopore pod utjecajem izmjeničnog električnog polja. Einstein-Smoluchowski difuzijska relacija, koja povezuje relaksacijsko vrijeme i karakterističnu veličinu pora - daje rezultat od 100nm. Takve pore su prevelike i ne pokazuju selektivnost prema malim ionima i ostale karakteristike koje se pojavljuju kod pora veličine 1-10 nm.

Sažetak (engleski)

Nanoporous materials and membranes in aqueous environment may have diverse technical applications, from power generation and salt-water purification to advanced concepts like DNA sequencing. These are all related to the ability of small ions to pass through the pores and the selectivity that stems from the small size of the pores. We studied electrical transport properties of nanoporous alumina (Al2O3) membranes in aqueous environment. This nanoporous dielectric is formed after annealing of Ge quantum dot lattice in alumina matrix, initially presented in the matrix via magnetron sputtering deposition. Conductivity measurements were performed on membrane in electrolyte solution (NaCl) at various concentration ranging from 1uM to 1M. Membrane was mounted in a polymer flowcell and DC and AC conductivity (at 1 MHz) was measured. As a control we also measured the cell with the membrane removed. We found no effect of the membrane on the small ion flow – conductivity was linearly proportional to the concentration of the added salt. The saturation at the nominally low concentrations of added salt we have simply ascribed to contamination of the flow cell with the ions leaking from the cell construction materials. Testing with two different measurement cells we managed to lower the contaminants concentration for two orders of magnitude. This, rather trivial result we relate to a similar result by Feng et al. (Nature 2015) where the saturation was ascribed to the surface charge of the nanopore membrane. In order to check for the lack of influence of the membrane on the transport in the conductance cell we performed a dielectric spectroscopy study (frequency range 100Hz -100MHz) which provides a measure of the nanopore sizes in the membrane. That is, the relaxation times of the modes detected by DS reflect the process of rearrangement of the added salt ions within the confined space of the pores under the influence of the external AC field. Einstein- Smoluchowski diffusion equation relates the relaxation time and the characteristic size of the pores – we obtain about 100nm. Such pores are rather large and are not expected to show small ion selectivity and other qualities of nanopores that occur for sizes of 1-10 nm.

• Ključne riječi: dielektrična spektroskopija; dielektrici; nanopore; ionska selektivnost
• Ključne riječi (engleski): dielectric spectroscopy; dielectrics; nanopores; ion selectivity
• Jezik: hrvatski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:414672
• Studijski program: Naziv: Fizika i tehnika; smjerovi: nastavnički; Smjer: nastavnički; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: integrirani preddiplomski i diplomski; Akademski / stručni naziv: magistar/magistra edukacije fizike i tehnike (mag. educ. phys. et techn.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2017-10-11 10:29:47