WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Мешков Георгий Борисович СОВМЕЩЕННАЯ АТОМНО-СИЛОВАЯ И СКАНИРУЮЩАЯ РЕЗИСТИВНАЯ МИКРОСКОПИЯ ПОЛИМЕРНЫХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Яминский Игорь Владимирович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. Демихов Евгений Иванович к.ф.-м.н. Ежов Александр Анатольевич

Ведущая организация:

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится «25» апреля 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « » марта 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.002.01 кандидат физико-математических наук Лаптинская Т.В.

2

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Исследование проводящих свойств поверхностей является важной задачей в физике. Методы сканирующей зондовой микроскопии стали использоваться в этой области сравнительно недавно, с начала 1990-х годов, но представляются достаточно перспективными в связи с процессом миниатюризации электронных схем и переходом к размерам элементов нанометрового масштаба. Изучение процессов и механизмов образования контактов двух материалов является актуальной задачей не только фундаментальной физики, но и с практической точки зрения, например, для различных методов исследования поверхности, в частности, зондовой микроскопии.

Исследование графита представляется важным для целей зондовой микроскопии, поскольку графит одна из самых распространенных подложек и очень часто используется в туннельной микроскопии. На основе новых материалов проводящих полимеров, графена и других, возможно создание наноустройств для целей не кремниевой электроники, например, полимерной электроники.

Проводящие полимеры являются перспективным материалом для применения в электронике вследствие сочетания своих электрических и механических свойств. Для их использования в микроэлектронике и для создания наноустройств необходимым является обеспечение однородности проводящих свойств на соответствующих применению масштабах. Для задач проверки качества полученных материалов удобными являются методы сканирующей зондовой микроскопии, поскольку эти методы по сравнению с другими, к примеру, электронной микроскопии, позволяют получить информацию о материале и его поверхности без разрушения или какойлибо модификации.

Полимерные комплексы могут использоваться для получения новых свойств материалов. Комплексы на основе полианилина позволяют сочетать его электрические и оптические свойства с механическими и химическими свойствами других полимеров. Использование водорастворимых полимерных матриц при синтезе позволяет получать молекулярно-дисперсные водные растворы интерполимерных комплексов на основе полианилина, обладающие хорошими проводящими свойствами.

Синтез полианилина в форме нанотрубок, наноцилиндров и нановолокон является перспективным в связи с разработкой методов создания наноустройств, которые могли бы использоваться как высоко чувствительные датчики и сенсоры.

Цель диссертационной работы.

Изучение свойств поверхностей проводящих полимеров и процессов образования электрического контакта, разработка методики совмещенной атомносиловой и сканирующей резистивной микроскопии (АСМ-СРМ), а также получение с ее помощью новых данных о проводящих свойствах тонких пленок проводящих полимеров на основе полианилина, поверхностей графита и других неорганических материалов; исследование свойств нитевидных структур полимерных комплексов на основе полианилина.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

Изучить процессы образования электрического контакта на таких проводящих поверхностях, как графит и золото, и исследовать его связь с образованием механического контакта.

Исследовать проводящие свойства поверхности графита и определить её возможности как подложки для исследования проводящих свойств находящихся на ней объектов с помощью АСМ-СРМ.

Исследовать распределение проводящих свойств тонких пленок полианилина на масштабах менее 10 мкм и определения степени их однородности.

Охарактеризовать водный раствор интерполимерного комплекса «Полианилин - поли-(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислота)» - ПАН-ПАМПС с помощью атомно-силовой микроскопии и определить форму и геометрические размеры молекулярных ассоциатов.

Материалы и методы.

Все измерения совмещенной атомно-силовой и сканирующей резистивной микроскопии проводились на сканирующем зондовом микроскопе ФемтоСкан (Центр Перспективных Технологий, Россия). При измерениях использовались коммерческие кантилеверы fpC11 (НИИФП, Россия) с жесткостью 0,03 и 0,1 Н/м и золотым проводящим покрытием, DCP11 (НТ-МДТ, Россия) с покрытием из допированной алмазной пленки жесткостью 5 и 11 Н/м.

Использовался высоко ориентированный пиролитический графит (ООО «Атомграф АГ») с углом разориентации 0,4.

Исследовались пленки полианилина двух степеней окисления: лейкоэмеральдин и эмеральдин. Пленки полианилина были предоставлены нам для исследования О.Л.Грибковой и В.Ф.Ивановым (Институт физической химии и электрохимии РАН им. А.Н.Фрумкина).

Образцы представляли собой стеклянные подложки, покрытые проводящим слоем оксида олова (SnO2) или золота (Au), на которые был нанесен полианилин либо термическим напылением в вакууме, либо осаждением при электрохимическом синтезе. В образцах с пленками полианилина на стекле контакт припаивался непосредственно на проводящий слой при помощи сплава Вуда.

Исследуемый образец полианилин-найлона был предоставлен сотрудником кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ В.Г.Сергеевым.

Полианилин-найлон представлял собой пленку толщиной 0,1 мм, которая получалась при синтезе полианилина в присутствии нейлоновых матриц.

Электрический контакт обеспечивался проводящей серебряной пастой, покрывающей часть образца.

Образцы интерполимерного комплекса ПАН-ПАМПС были предоставлены нам для исследования О.Л.Грибковой и В.Ф.Ивановым. Они получались матричным химическим синтезом полианилина в присутствии полимерной сульфокислоты. Полианилин был приготовлен окислительной полимеризацией анилина в водном растворе при комнатной температуре в присутствии поли(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислоты), используемой в качестве матрицы, и персульфата аммония в качестве окислителя.

Отношение анилин:ПАМПС-мономер составляло 1:2. Для исследования отдельных молекул интерполимерного комплекса ПАН-ПАМПС использовался разбавленный раствор.

Концентрации интерполимерного комплекса в растворе были 210-5 М. Поверхность свежего скола слюды, нагретой до средней температуры 50-60°С или находящейся при комнатной температуре, обрабатывалась малым объемом раствора (2-15 мкл). После испарения растворителя мы исследовали подложку с помощью атомно-силового микроскопа.

Локальное анодное окисление поверхности графита проводилось при комнатных условиях при относительной влажности более 70%, зондами fpC11 с золотым покрытием.

Научная новизна диссертации.

• Впервые на графите наблюдалось влияние доменных границ и дислокационных дефектов, находящихся под поверхностью и не дающих поверхностного рельефа, на сопротивление контакта зонд-образец.

• Впервые наблюдалось образование оксида графита в процессе реакции локального анодного окисления, а также было экспериментально измерено значение параметра реакции.

• · Впервые с помощью совмещенной атомно-силовой и сканирующей резистивной микроскопии обнаружена неоднородность проводящих свойств равномерно нанесенных тонких пленок полианилина на масштабах менее мкм.

• Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии был охарактеризован комплекс ПАН-ПАМПС (1:2) и показана возможность его молекулярной растворимости до ассоциатов, состоящих из нескольких молекул, причем показана стабильность получающегося раствора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих научных конференциях:

• Четвертая Всероссийская Каргинская Конференция «Наука о полимерах 21-му веку» 29 января-2 февраля 2007 г., Москва, МГУ • International Conference of Nanoscience and Technology, NANO 9 meets STM’06, Basel, Switzerland, July 30 – August 4, • Пятая Международная конференция “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология”, 18-23 октября 2006 г., Москва, МГУ • Summer school on nanotubes, International School NanoSciencesTech, Cargse, Corsica, France, July 3-15, • European polymer congress 2005, Moscow, Russia June 27-July 1, • Международной конференция "Физико-химические основы новейших технологий XXI века ", Москва, 30 мая – 4 июня • Конференция "Малый полимерный конгресс", Москва, 29 ноября – декабря • International Workshop "Scanning Probe Microscopy – 2004", Nizhny Novgorod, May 2-6, • Третья Всероссийская Каргинская конференция "Полимеры-2004", Москва, 27 января – 1 февраля, Практическая значимость.

Результаты диссертационной работы позволяют продвинуться в решении следующих практических задач:

• исследования процессов, происходящих при образовании электрического контакта двух различных поверхностей;

• исследования однородности проводящих свойств тонких пленок полианилина;

• получения нанобъектов полимерных комплексов, растворимых в воде.

Разработанная методика может быть применена на различных проводящих поверхностях, в том числе и для исследования полупроводниковых материалов.

Личный вклад автора.

Все экспериментальные измерения проводящих свойств полианилина, графита и других материалов, а также измерения методом атомно-силовой микроскопии выполнены автором самостоятельно. Разработка методики атомно-силовой и сканирующей резистивной микроскопии, все измерения, анализ и интерпретация экспериментальных данных проведены автором лично.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из шести глав, списка литературы, включающего 95 наименований. Работа изложена на 105 страницах, содержит 40 рисунков.

Основное содержание работы

В главе 1 обсуждается актуальность выбранной темы диссертационной работы, определяются её цели и задачи.

В главе 2 приводится обзор литературных данных о методах исследования и объектах. Подробно описываются различные методы исследования электрических свойств поверхностей в сканирующей зондовой микроскопии. Приводится описание различных типов зондов, используемых для изучения проводящих поверхностей.

Отдельно рассмотрен процесс управляемой модификации поверхности.

Рассматриваются аспекты модификации поверхности электрическим полем, такие как воздействие током и напряжением. Подробно обсуждаются процессы локального анодного окисления различных поверхностей.

Излагается современное положение дел в области исследования проводящих полимеров методами сканирующей зондовой микроскопии, описываются виды проводимости.

В главе 3 приводится подробное описание методики совмещенной атомносиловой и сканирующей резистивной микроскопии.

В разделах 3.1-3.2 описываются основные принципы, предлагается новый способ графического представления данных в четырехмерном виде (раздел 3.3) для исследования процессов образования контактов двух материалов.

В нашей методике мы при измерениях контактных процессов получаем следующую систему (I,F)(Z,U):

F = F(Z,U ) I = I(Z,U ) Два измеряемых параметра – сила F взаимодействия кантилевера с поверхностью и ток I, протекающий через кантилевер.

Два задаваемых параметра – положение Z кантилевера по оси перпендикулярной к поверхности, и напряжение U, подаваемое на кантилевер.

Рис. 1. Пример четырехмерного представления данных. Приведены данные для процесса подвода к поверхности графита зонда с золотым покрытием.

Набор данных (I,F)(Z,U), получаемых в совмещенной АСМ-СРМ, удобно представлять в четырехмерном виде (Рис. 1). Здесь по горизонтали откладывается расстояние Z от зонда до поверхности и напряжение U, прикладываемое на зонд, по вертикали сила F взаимодействия зонда с поверхностью, а цветом точек отображается величина протекающего через зонд тока I. Подобрав соответствующим образом шкалу, можно легко визуализировать линии постоянного тока. Такие измерения удобны для исследования контактов и их зависимости от силы взаимодействия кантилевера с поверхностью, поскольку мы получаем вольтамперную характеристику для каждого значения силы.

В разделах 3.5-3.7 приводятся оценки параметров установки: сопротивления покрытия зонда, сопротивления растекания, площади контакта, а также её возможностей и ограничений. В разделах 3.8-3.9 приводятся экспериментальные данные совпадающие с полученными оценками параметров. Показано, что ток в мкА не приводит к разрушению контакта для сочетания материалов графиткантилевер, покрытый золотом. В разделе 3.10 обсуждается вопрос деградации проводящих свойств зонда и возможные причины.

I II III IV Рис. 2. Четырехмерные представления подвода зонда к поверхности и удаления от нее. Приведены данные для графита и зонда с золотым покрытием (I – процесс сближения, II – процесс удаления, III и IV – сечения поверхностей I и II соответственно, взятые в координатах ток-расстояние по соответствующим пунктирным сечениям взятым по линии напряжения U=-100 мВ.

В разделе 3.11 подробно описывается исследование механизма образования точечных контактов, и приводятся экспериментальные данные для контактов зондов, с золотым и допированным алмазным покрытиями и поверхностей графита и золота;

обращается внимание на несоответствие изменений электрического тока в процессе приближения и удаления зонда по отношению к поверхности графита (Рис. 2).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»