WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Меньшиков Евгений Александрович АНАЛИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК СОВМЕЩЕННЫМИ МЕТОДАМИ АТОМНО-СИЛОВОЙ И ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ МИКРОСКОПИИ 02.00.06 – высокомолекулярные соединения 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

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 доктор физико-математических наук оппоненты: ВАСИЛЕВСКАЯ Валентина Владимировна кандидат физико-математических наук ЕЖОВ Александр Анатольевич

Ведущая организация: Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова

Защита состоится «23» декабря 2009 г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.

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

2

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

За последние годы атомно-силовая микроскопия (АСМ) стала широко распространенным и успешно применяемым инструментом исследования свойств поверхности, о чем свидетельствует постоянный рост публикаций, использующих данный метод анализа. Несмотря на это, большинство исследований методом АСМ носят во многом иллюстративный характер. Вместе с тем для многих разделов современной науки, например, физики полимерных пленок, получение точной информации о геометрических размерах является особенно важным. Для получения достоверных измерительных результатов методом АСМ в нанометровой области необходимым является решение целого ряда технических проблем: проведения калибровки прибора, оценки его шумов и разрешающей способности, а также разработка численных методов анализа АСМ-изображений. Несомненно, актуальным в решении задач высокоточного исследования полимерных пленок может стать совмещение атомно-силовой с другими видами микроскопии в одном приборе. Так, совмещение АСМ и интерференционной микроскопии позволит проводить высокоточное позиционирование зонда, а также калибровку сканера АСМ интерференционными методами.

Основным актуальным аспектом работы является изучение структуры тонких пленок блок-сополимеров, поскольку их использование предоставляет широкие возможности для развития современных технологий. Большой интерес к блок-сополимерным материалам обусловлен явлением микрофазного расслоения (МФР) – самопроизвольным наностуктурированием с образованием индивидуальных упорядоченных фаз, состоящих из мономерных звеньев различной природы. В связи с технологической необходимостью создания наноматериалов с заданной структурой и свойствами, актуальной задачей представляется разработка методики точного определения статистических значений параметров структуры микрофазного расслоения на основании анализа АСМ-изображений.

Несомненно, актуальной задачей является наноструктурирование полимерных пленок, не склонных к самопроизвольному формированию наноструктур. Интерес представляют пленки полиамидов, а также композиционные электропроводящие материалы на их основе, которые благодаря сочетанию своих электрических и механических свойств являются наиболее перспективными для развития некремниевой электроники. В работе рассмотрены актуальные вопросы зависимости структуры получаемого композиционного материала полианилин-найлон-6 от свойств найлоновой матрицы, а так же от условий полимеризации анилина.

Особенно актуальным вопросом работы является возможность формирования наноструктур из проводящих полимеров на диэлектрических полимерных матрицах. Осуществление литографии проводящими полимерами открывает широкие возможности для развития полимерной электроники.

Цель и задачи работы.

Цель настоящей работы состояла в получении новых данных о наноразмерных полимерных структурах. Особое внимание было уделено проведению статистически достоверных исследований. В соответствии с указанной целью работы поставлены следующие задачи:

• Развить способ количественного анализа структуры микрофазного расслоения в тонких пленках блок-сополимеров, визуализируемых с помощью атомно-силовой микроскопии.

• Исследовать тонкие пленки триблок-сополимера полистиролполиметилакрилат-полистирол при различных относительных концентрациях полистирола и полиметилакрилата.

• Оценить величину параметра Флори-Хаггинса для взаимодействия полистирола и полиметилакрилата.

• Исследовать процессы наноструктурирования в пленках найлона-6 при гидротермической обработке.

• Изучить факторы, влияющие на процессы наноструктурирования в композиционном материале полианилин-найлон-• Изучить возможность формирования электрически проводящих наноструктур из полианилина на диэлектрических матрицах найлона-6.

• Развить методику калибровки, определения разрешающей способности и величины эффекта «уширения» атомно-силовых микроскопов.

• Развить совмещенную атомно-силовую интерференционную микроскопию.

Научная новизна диссертации.

В представленной работе впервые разработаны универсальные алгоритмы для анализа АСМ-изображений доменной и ламеллярной структуры пленок блок-сополимеров, позволяющие получать статистические величины структуры микрофазного расслоения на основе обработки больших массивов измерительных данных. Разработаны алгоритмы для автоматической обработки.

Впервые методом АСМ исследованы пленки триблок-сополимера полистирол-полиметилакрилат-полистирол. Показано наличие микрофазного расслоения при различных относительных концентрациях полистирола и полиметилакрилата. Определены значения структурных параметров пленок.

Оценена обусловленная геометрическими размерами зонда величина «уширения» фаз, отображаемых на АСМ-изображениях.

Впервые оценена величина параметра Флори-Хаггинса для взаимодействия полистирола и полиметилакрилата Впервые показаны поверхностные и фазовые изменения в пленках найлона-6 в процессе гидротермической обработки.

Показана зависимость морфологии композиционного материала полианилин-найлон-6 от условий перемешивания реакционной смеси в процессе полимеризации анилина при получении композиционного материала.

Впервые продемонстрирована возможность формирования наноструктур из проводящих полимеров на диэлектрических подложках методом атомносиловой микроскопии.

Осуществлено объединение атомно-силовой и интерференционной микроскопии, при котором реализовано совмещение интерференционной оптической схемы с оптической системой контроля изгиба кантилевера АСМ.

Развит критерий определения разрешающей способности сканирующих зондовых микроскопов.

Практическая значимость.

Предложенный метод количественного анализа структуры микрофазного расслоения может быть востребован в прикладных задачах определения статистических характеристик материалов. Продемонстрированное микрофазное расслоение в пленках полистирол-полиметилакрилат-полистирол может быть использовано для создания нанопроводов, биосенсоров, магнитных носителей информации ультра высокой плотности и т.п. Полученная оценка параметра Флори-Хаггинса может быть использована для теоретических расчетов и математического моделирования систем, содержащих цепи полистирола и полиметилакрилата. Возможность формирования электрически проводящих структур из полианилина на диэлектрических матрицах найлона-6, а также результаты исследований композиционного материала полианилин-найлон-представляются ценными для развития полимерной электроники.

Представленный в работе совмещенный атомно-силовой интерференционный микроскоп может найти широкое применение в исследовательской лабораторной практике при совмещенных исследованиях на различных пространственных и временных масштабах. Основными областями применения прибора могут быть материаловедение (исследование прозрачных пленок и нанообъектов), биология (исследование клеток, бактерий), исследование поверхностных процессов (комплексообразование, изменение шероховатости), кристаллография (исследование поверхности кристаллов и процессов их роста), метрология. Развитые методики проведения калибровки и определения разрешающей способности АСМ универсальны и могут быть применены для различных видов сканирующих зондовых микроскопов.

Материалы и методы.

Все измерения методами атомно-силовой и интерференционной микроскопии проводили на совмещенном микроскопе, на базе сканирующего зондового микроскопа ФемтоСкан (Центр перспективных технологий, Россия).

При АСМ измерениях в контактном режиме сканирования использовали коммерческие кантилеверы (Mikromasch, Россия) fpС11S с жесткостью 0,03 и 0,1 Н/м, в резонансном режиме - fpN11S с жесткостью 11,5 и 5,3 Н/м.

Электронно-микроскопические исследования выполняли на просвечивающем электронном микроскопе LEO912AB (Zeiss, Германия).

Триблок-сополимеры полиcтирол-полибутадиен-полистирол (СБС) предоставлены Воронежским филиалом НИИ синтетического каучука (ВНИИСК). [ПС]:[ПБ]=0,85:0,15; =100 000, ММР составляет 1,031,04.

Тонкие пленки СБС готовили из 1% раствора полимера в толуоле (ХИММЕД, Россия) методом прямой адсорбции (solvent-casting) на свежесколотой слюде.

Толщина пленок задавалась количеством наносимого раствора, контроль толщины проводили интерференционным и атомно-силовым методами совместно. Пленки формировали при различных условиях: быстром испарении растворителя на открытом воздухе (~1 мин.); медленном испарении растворителя в насыщенных парах толуола (~24 час); а также при медленном испарении растворителя в насыщенных парах толуола с последующим отжигом при температуре 110С в течение 1, 2, 4 часов. Тонкие пленки СБС для ПЭМ готовили из 1% раствора полимера в толуоле. Пленку формировали на поверхности воды и затем снимали на сеточки для электронной микроскопии.

Перед исследованием пленки выдерживали в парах тетраокиси осмия (OsO4) для контрастирования двойной связи полибутадиена.

Триблок-сополимеры полиcтирол-полиметилакрилат-полистирол (СМАС) получены методом псевдо-живой радикальной полимеризации и предоставлены М.Ю. Заремским (лаборатория полимеризационных процессов кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ). Исследовали четыре серии образцов 1) Mn=60 000, [ПС]:[ПМА]=1:5 2) Mn=75 000, [ПС]:[ПМА]=1:3 3)Mn=75 000, [ПС]:[ПМА]=1:2 4) Mn=30 000, [ПС]:[ПМА]=1:1.

ММР составляет 1,11,3. Пленки готовили из 1% раствора полимера в хлороформе (ХИММЕД, Россия) методом прямой адсорбции на свежесколотой слюде. Испарение растворителя производили в насыщенных парах хлороформа.

Толщину пленок задавали количеством наносимого раствора, контроль толщины проводили интерференционным и атомно-силовым методами совместно.

Пленки найлона-6 марки ПК-4 (ООО «Капролит», Россия) подвергали гидротермической обработке при 100 С в течение 30, 60, 90 минут. Толщина пленок 90 мкм.

Для получения композиционного материала полианилин-найлон-6 пленки найлона-6 насыщали в 0,38 моль/л водном растворе анилина в течение 5 часов.

Абсорбировавшие анилин пленки найлона-6 погружали в раствор анилина (0,17 моль/л) в 1 М HCl, к которому постепенно добавляли водный раствор персульфата аммония (0,21 моль/л) в 1 М HCl. Готовили две серии образцов с перемешиванием и без перемешивания реакционной смеси в процессе полимеризации. После окончания реакции (60 мин) пленки промывали раствором 1М НСl и сушили на воздухе в течение 24 ч.

Для осуществления литографии пленки найлона-6 насыщали в течение 5 часов в водном растворе анилин гидрохлорида (0,5 моль/л) в 1М HCI. Острие кантилевера обрабатывали водным раствором персульфата аммония (0,2 моль/л - 0,6 моль/л). При контакте зонда АСМ с насыщенной анилин гидрохлоридом пленкой найлона-6 полимеризация анилина происходила под действием солянокислого раствора персульфата аммония.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на конференции "Малый полимерный конгресс" (г. Москва, 2005), на Второй Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах» (г. Санкт-Петербург, 2006), на ХIII и ХIV Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, Россия, 2006, 2007), на конференциях молодых ученых института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (г. Москва, 2006, 2007, 2008), на IV Всероссийской Каргинской Конференции «Наука о полимерах 21-му веку» (г. Москва, 2007), на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2007" (г.

Москва, 2007), на Первой, Второй и Третьей Международной конференции “Современные достижения бионаноскопии” (г. Москва, 2007, 2008, 2009), на Международном студенческом исследовательском форуме “International Student Research Forum” (Омаха, США, 2008), на конференции по полимерным материалам “Polymer Materials” (г. Халле, Германия, 2008), на VI Открытой украинской конференции молодых ученых по высокомолекулярным соединениям “ВМС-2008” (г. Киев, Украина, 2008), на Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий в рамках Международного форума по нанотехнологиям (г. Москва, 2008), на конференции-конкурсе научных работ в области физики студентов и аспирантов Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва, 2009) Личный вклад автора.

Разработка методики совмещения атомно-силовой и интерференционной микроскопии выполнена автором самостоятельно. Все измерения методами атомно-силовой и интерференционной микроскопии, анализ и интерпретация экспериментальных данных проведены автором лично.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 34 печатных работах, включая 5 статей в российских журналах, 2 патента, 5 статей в периодических сборниках и 22 тезиса докладов на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 151 наименование. Работа изложена на 130 страницах, содержит 56 рисунков, 7 таблиц.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






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