Publication details
Abstracts and keywords
W rozprawie doktorskiej przedstawiono badania zmiennoprądowych właściwości elektrycznych, chemicznych oraz strukturalnych nanokompozytów węglowych obejmujących grupy warstwowych węglików metali w matrycy z węgla amorficznego oraz nanokompozytu zawierającego MXen. Analizie poddano trzy typy materiałów: TixZr1−xC+α-Cy, (MoW)C+α-Cy oraz MXen-PCL. Nanokompozyty węglików metali przejściowych wytworzono metodą dwuźródłowego rozpylania magnetronowego, natomiast kompozyty MXen-PCL poprzez selektywne wytrawianie fazy MAX (Ti3AlC2) do Ti3C2 i ich połączenie z membranami z polikaprolaktonu. Skład chemiczny określono metodą mikroanalizy rentgenowskiej (EDS). Strukturę analizowano technikami dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS). W nanokompozytach otrzymanych metodą rozpylania magnetronowego stwierdzono ziarnistą budowę, w której nanometryczne krystality węglików metali osadzone są w matrycy z węgla amorficznego. Badania nanokompozytów MXen-PCL potwierdziły poprawność procesu trawienia fazy MAX i typową, warstwową strukturę MXenu. Nanocząsteczki były równomiernie rozmieszczone wzdłuż włókien z PCL. Właściwości zmiennoprądowe metodą spektroskopii impedancyjnej. Na podstawie częstotliwościowych charakterystyk konduktywności oraz współczynnika α ustalono, że przewodnictwo w nanokompozytach TixZr1−xC+α-Cy, (MoW)C+α-Cy dla wszystkich próbek ma charakter dielektryczny i odbywa się drodze skokowej wymiany ładunku. Analiza przenikalności dielektrycznej w materiałach wykazała obecność przenikalności statycznej oraz wzrostu przenikalności wraz ze wzrostem temperatury na skutek tworzenia się dipoli w wyniku mechanizmu tunelowania. Dla nanokompozytu TixZr1−xC+α-Cy określono mechanizm relaksacji przy pomocy modelu Cole-Cole. W nanokompozytach MXen-PCL zaobserwowano występowanie szeregu minimów na częstotliwościowej charakterystyce pojemności i pokrywające się maksima na charakterystyce indukcyjności, świadczące o występowaniu równoległych rezonansów RLC w materiale na skutek przewodnictwa skokowego. Dodatkowo na charakterystyce kąta przesunięcia fazowego widoczny było szerokie maksimum, w których materiał wykazywał charakter indukcyjny. Uzyskane wyniki badań pozwoliły szczegółowo scharakteryzować mechanizmy przewodnictwa oraz zjawiska relaksacyjne w analizowanych nanokompozytach, ujawniając ścisły związek między strukturą, składem chemicznym a obserwowanymi właściwościami elektrycznymi.
The doctoral dissertation presents a study of the alternating current electrical, chemical, and structural properties of carbon-based nanocomposites, including groups of layered metal carbides embedded in an amorphous carbon matrix, as well as a nanocomposite containing MXene. Three types of materials were analysed: TixZr1−xC+α-Cy, (MoW)C+α-Cy and MXene-PCL. Transition metal carbide nanocomposites were produced via dual-source magnetron sputtering, while MXene-PCL composites were obtained by selectively etching the MAX phase (Ti3AlC2) to Ti3C2 and combining it with membranes of biodegradable polycaprolactone polymer. The chemical composition was determined using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The structure was analysed by X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In the magnetron-sputtered nanocomposites, a granular structure was observed, consisting of nanocrystalline metal carbides embedded in an amorphous carbon matrix. Studies of the MXene-PCL nanocomposites confirmed the correctness of MAX phase etching and the typical layered structure of MXene. The nanoparticles were uniformly distributed along the PCL fibers. The alternating current properties were investigated using impedance spectroscopy. Based on conductivity and α-factor frequency characteristics, it was established that conduction in the TixZr1−xC+α-Cy, and (MoW)C+α-Cy nanocomposites for all samples exhibits dielectric nature and occurs by hopping charge transport. The analysis of dielectric permittivity in these materials revealed the presence of static permittivity and an increase in permittivity with temperature attributed to dipole formation due to tunneling mechanisms. For the TixZr1−xC+α-Cy nanocomposites, the relaxation mechanism was determined using the Cole-Cole model. In the MXene-PCL nanocomposites, a series of minima were observed on the frequency-dependent capacitance characteristics, with corresponding maxima on the inductance characteristics, indicating the occurrence of parallel RLC resonances in the material as a result of hopping conductance. Additionally, a broad maximum was visible on the phase angle characteristic, where the material exhibited inductive behavior. The obtained results made it possible to thoroughly characterize the conduction mechanisms and relaxation phenomena in the analysed nanocomposites, revealing a strong correlation between their structure, chemical composition, and the observed electrical properties.
