Частотний перетворювач температури на основі нанокомпозитного напівпровідникового матеріалу

Abstract

The study presents the results of investigating a new heterometallic complex compound — tetrakis-µ₃-(methoxo)(methanol)- pentakis(acetylacetonato)(tricopper(II), neodymium(III)) methanol (I) of the composition [Cu₃Nd(AA)₅(OCH₃)₄CH₃OH]∙CH₃OH, where HAA = H₃C–C(O)–CH₂–C(O)–CH₃. For the synthesized compound, elemental analysis as well as magnetochemical, IR-spectroscopic, and thermogravimetric studies were performed. Based on the experimental results, it was confirmed that the composition of compound (I) corresponds to the given chemical formula. For this complex, the molar mass (985.5 g/mol) was calculated, along with the number of valence electrons in a molecule (270), the mass of a single molecule, and the total number of molecules in a cylindrical sample with a mass of 0.125 g and a volume of 17.74∙10–9 m3. Additionally, the total number of valence electrons in the sample was determined. It was shown that in the temperature range of 303–423 K, the specific resistance of the pressed powder decreases from 2∙1012 to 5∙104 Ω∙cm, which confirms the semiconductor nature of the studied substance. The band gap width was found to be 1.61 eV. The performed calculations demonstrated that the obtained compound exhibits semiconductor behavior with bipolar conductivity, meaning that charge transport occurs through both electrons and holes. To evaluate the practical applicability of the compound as a temperature-sensitive element, the investigated material was additionally pressed into the form of an SMD thermistor of type 0402 with geometric dimensions of (1×0,5×0,5)∙10–3 m. Mathematical model of a temperature-to-frequency converter based on the nanocomposite material tetrakis-µ₃-(methoxo)(methanol)-pentakis(acetylacetonato)(tricopper(II), neodymium(III)) methanol (I) with an active inductive element was developed. The structure of the device includes three bipolar and MOS transistors. To determine the conversion function, a system of Kirchhoff equations was solved, establishing the dependence of the generation frequency on temperature and obtaining an analytical expression for the conversion function.

Досліджено гетерометалічну комплексну сполуку — тетракіс-µ3-(метоксо)(метанол)-пентакіс(ацетилацетонато)(трикупрум(ІІ), неодим(ІІІ)) метанол (І) складу [Cu₃Nd(AA)₅(OCH₃)₄CH₃OH]∙CH₃OH, де HAA = H₃C–C(O)–CH₂–C(O)–CH₃. Для синтезованої сполуки проведено елементний аналіз, а також магнетохімічні, ІЧ-спектроскопічні та термогравіметричні дослідження. На основі отриманих результатів встановлено, що склад сполуки (І) відповідає цій формулі. Для зазначеного комплексу визначено молярну масу (985,5 г/моль), кількість валентних електронів у молекулі (270), масу однієї молекули, а також визначено загальну кількість молекул у циліндричному зразку масою 0,125 г і об`ємом 17,74∙10–9 м3. Додатково розраховано загальне число валентних електронів у зразку.

Встановлено, що в температурному інтервалі 303…423 К питомий опір пресованого порошку зменшується від 2∙10¹² до 5∙10⁴ Ом∙см, що свідчить про напівпровідниковий характер отриманої речовини. Ширина забороненої зони становить 1,61 еВ. Проведеними розрахунками підтверджено, що отримана речовина дійсно проявляє напівпровідникові властивості, причому перенос заряду в ній здійснюється як електронами, так і дірками, тобто має місце двополярна провідність.

З метою практичного використання сполуки як термочутливого елемента, досліджуваний матеріал додатково спресовано у форму SMD-терморезистора типу 0402 з геометричними параметрами (1×0,5×0,5)∙10–3 м.

Розроблено математичну модель частотного перетворювача температури на основі нанокомпозитного матеріалу тетракіс-µ3-(метоксо)(метанол)-пентакіс(ацетилацетонато)(трикупрум(ІІ), неодим(ІІІ)) метанол (І) та активним індуктивним елементом, яка складається з трьох біполярних та МДН-транзисторів. Для визначення функції перетворення, розв`язано систему рівнянь Кірхгофа та встановлено залежність частоти генерації від температури, отримано аналітичну залежність функції перетворення.