WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

СУХАНОВ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ И УГЛЕРОДНЫМИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМИ ПЛЕНКАМИ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий А В Т О Р Е Ф ЕР А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА – 2009

Работа выполнена в научно-образовательном центре «Зондовая микроскопия и нанотехнология» и на кафедре общей химии и экологии Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный консультант: кандидат технических наук, с.н.с. Бобринецкий И.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Яковлев В.Б.

кандидат технических наук, Терашкевич И.М.

Ведущая организация: ЗАО «Нанотехнология МДТ»

Защита состоится 24 ноября 2009 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного институте электронной техники (техническом университете)

Автореферат разослан _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.И.Погалов д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Развитие нанотехнологий характеризуется междисциплинарным характером исследований, широким взаимопроникновением идей и разработок, интеграцией материалов, методов и процессов. Создаются принципиально новые материалы, новые типы медицинских технологий.

Модифицирование тканей обеспечит производство технологичных и прочных изделий с применением высокочувствительных методов контроля. Cоздание новых материалов в льняной и текстильной промышленности, изучение и улучшение их свойств потребует разработки прецизионных контрольно-измерительных инструментов и методов, которые могли бы исследовать ткани всесторонне, как с метрологической точки зрения, так и с точки зрения идентификации их физической и химической природы. В связи с этим, весьма актуальными и целесообразными являются исследования, направленные на разработку и создание методов и средств контроля тканых материалов, модифицированных металлическими и углеродными наноструктурированными плнками.

Эффективный контроль модифицированных тканей имеет два важных аспекта: санитарно-гигиенический и технологический. Первый состоит в том, что патогенез многих заболеваний с высокой степенью корреляции соответствует воздействию исследуемых тканей на пораженные участки организма человека.. Во втором аспекте перспективным моментом является использование неразрушающего метода контроля, такого, как сканирующая зондовая микроскопия (далее CЗМ), позволяющего определять не только рельеф поверхности, но и ряд физических свойств модифицированных тканей.

Усовершенствование методов СЗМ для исследования тканых материалов, повышение точности и эффективности измерений, расширение возможностей их использования определяют актуальность данной диссертационной работы, которая основана на решении комплекса теоретических и экспериментальных задач.

Целью работы является разработка методов и средств контроля тканых материалов, модифицированных металлическими и углеродными наночастицами и наноструктурированными пленками.

Для достижения поставленной цели диссертационной работы сформулированы задачи исследований по разработке:

методики атомно-силовой микроскопии для контроля тканых материалов на основе комбинации методов полуконтактного сканирования, регистрации сдвига фазы колебаний кантилевера и емкостной микроскопии;

методики контроля параметров острия зонда (радиуса закругления и формы) с одновременной калибровкой микроскопа;

математической модели взаимодействия острия зонда кантилевера и волокна диаметром, превышающим диапазон сканирования атомносилового микроскопа; математической модели искажения изображения наноразмерной пленки на поверхности волокна;

методики испытания прочностных характеристик тканых материалов, модифицированных наноструктурированными пленками металлов и углерода;

методики контроля сорбционных свойств модифицированных тканых материалов в составе средств очистки воды от примесей.

Научная новизн а В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие результаты:

1. Предложена методика идентификации металлических нанообъектов на поверхности тканых волокон с использованием атомно-силовой микроскопии.

2. Предложен способ и средство контроля параметров острия зонда с одновременной калибровкой микроскопа на основе углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Предложена модель расчета искажений изображений размеров наноструктур на поверхности волокон в атомносиловом микроскопе.

4. Разработана методика нанесения наноструктурированных пленок металлов и углерода на льняную ткань, позволяющая управлять их прочностными свойствами.

Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Предложенная модель взаимодействия острия кантилевера с поверхностью второго порядка позволяет определить область визуализации волокна в АСМ и оценивать искажения изображений наноразмерных пленок, нанесенных на льняную ткань.

2. Повышение прочностных характеристик тканых материалов при их покрытии наноструктурированными пленками металлов и углерода происходит за счт изменения отдельных волокон ткани льна на нанометровом уровне, что подтверждается методами контроля прочностных свойств и атомно-силовой микроскопии.

3. Комбинация зондовых методов микроскопии на основе сочетания информации об изменении фазы колебаний кантилевера с емкостными методами позволяет исследовать электрофизические свойства на уровне единиц нанометров в наноструктурированных плнках на поверхности тканевых волокон.

Диссертационная работа выполнена в научнообразовательном центре «Зондовая микроскопия и нанотехнология» и на кафедре ОХЭ Московского государственного института электронной техники (технический университет) в рамках выполнения НИР «Разработка приборнотехнологического базиса формирования нанотехнологических элементов на основе углеродных структур». Номер государственной регистрации: 1.200.211155. Федеральная Целевая Программа: «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2012 г.г.».

Практическая значимость 1. Проведено опытно-промышленное внедрение разработанных методов контроля в аналитическую практику промышленных предприятий и Министерства здравоохранения РФ. Эффективность разработанных методов контроля подтверждена актами внедрения в медицинской практике, ЗАО НИИМВ, ООО «Микроинструмент».

2. Результаты исследований использованы в учебном процессе при проведении лабораторных практикумов по курсу:

«Методы зондовой микроскопии и нанотехнологии».

Степень обоснованности научных положений, результатов и выводов Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена: комплексным характером проведенных исследований, сравнительными результатами сопоставительных анализов методами кондуктометрии, фотометрии, потенциометрии, применением современных методов атомносиловой микроскопии.

Возможность практического использования разработанных методов контроля подтверждается их успешным внедрением в технологический процесс предприятий, научноисследовательских институтов электронной промышленности и медицинскими исследованиями.

Личное участие автора в получении научных результатов Автору принадлежит участие в постановке и разрешении задач в соответствии с целью исследований. Это заключалось в разработке методик контроля модифицированных тканых материалов, выполнении большей части экспериментов, анализе, интерпретации и суммировании результатов, формулировке научных положений и выводов, выносимых на защиту.

Исследования комплексного характера проводились по инициативе автора в рамках сотрудничества кафедры ОХЭ и научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ с отраслевым отделом охраны окружающей среды электронной промышленности Департамента развития оборонно-промышленного комплекса Минпромторга РФ, ЗАО НИИМВ, ООО «Микроинструмент», авторамиисследователями бактерицидных и лечебных свойств НИИ Скорой помощи им. Н.А. Склифосовского.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и совещаниях:

11, 12 и 13-ой Всероссийских межвузовских научнотехнических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, МИЭТ 2004, 2005, 2006 г.г.);

Всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии» (НТМ-2004, 2006) (Москва, МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2004, 2006 гг.);

IV и V Всероссийских научно-технических конференциях «Окружающая природная среда и здоровье» (Пенза, Приволжский дом знаний. 2004, 2005 гг.);

II Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород: БелГТУ. 2004 г.);

I и II Международных научно-практических конференциях «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование» (С.-Петербург, 2005, 2006 гг.);

II Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии – производству 2005» (Фрязино, «Концерн Наноиндустрия» 2005 г.);

V Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика – 2005"(М.: МИЭТ, 2005 г.);

VII Международной конференции «Оптонаноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск:

УлГУ, 2005 г.);

V Международной конференции «Углерод:

фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006 г.).

Публикации В ходе выполнения работы опубликовано 22 научные работы, из них 5 статей в научных журналах, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК. Кроме того, результаты исследований отражены в 5 отчетах выполненных НИР и подана одна заявка на патент РФ.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трх глав, заключения, содержащих результаты проведенных работ, и приложений.

Диссертация содержит 125 страниц, 46 рисунков, 9 таблиц, номинаций использованной литературы.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются ее цель и задачи, рассматриваются объекты и методы исследования. Показана научная новизна диссертационной работы, ее практическая значимость, вклад автора в решение поставленных задач, указаны российские и международные конференции и семинары, где была апробирована работа.

Первая глава посвящена обзору литературных данных по теме диссертации, приведен анализ литературы по методам контроля объектов наноиндустрии. Представлены научнотехнические достижения в области контроля модифицированных тканей. Показано, что применение неразрушающего метода CЗМ позволяет изучить с высоким разрешением (вплоть до атомарного) не только топологию поверхности, но и свойства поверхности материалов.

Проведн сравнительный анализ высокочувствительных аналитических методов и средств контроля на уровне международных стандартов.

Вторая глава посвящена результатам разработки неразрушающих методик исследования поверхности и контроля свойств тканых материалов, модифицированных металлическими и углеродными наноструктурированными пленками.

Проведение исследований включало собственные методы модификации тканых материалов: осаждение металлов проводилось из коллоидного раствора серебра капельным методом и методом катодного распыления. Разработаны методики и найдены режимы, позволяющие относительно равномерно покрывать волокна металлическими наночастицами и наноразмерными пленками с размерами кластеров, не превышающими 100 нм.

В качестве статистической наработки результатов экспериментально определены оптимальные режимы нанесения пленок серебра, меди, никеля, хрома, алюминия, кобальта.

На рисунке 1 приведено изображение полотна до и после модификации серебряной наноструктурированной пленкой. Было показано, что плазма не вызвала разрушения или привнесения дефектов в структуру льна.

Для исследования поверхности тканых материалов и ее сканирования с нанометровым разрешением использованы методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) на приборе серии Solver. АСМ-изучение тканей, модифицированных металлическими (серебром, медью, никелем, хромом, алюминием, кобальтом) и углеродными наноструктурированными пленками, проводилось в полуконтактном режиме сканирования. Одновременно с режимом измерения топографии поверхности материалов был использован режим фазового контраста.

Одним из нерешенных вопросов зондовой микроскопии, ограничивающих ее внедрение в состав метрических инструментов, является конволюция формы острия иглы зондового микроскопа. В результате чего при сканировании объектов, сравнимых по порядку величины с размерами острия иглы (около 10 нм), на изображении может наблюдаться не реальное изображение объекта, а изображение самого острия.

Предложена структура, обеспечивающая наблюдение и измерение геометрической формы игл и линейного масштаба перемещения зонда по нормали к поверхности образца для атомно-силовых микроскопов и сканирующих туннельных микроскопов. Структура представляет собой основание с закрепленными на нем нанообъектами: нанотрубками и фуллеренами, имеющими известный радиус.

а б Рис. 1. Фотография полотна льна: а – до и б – после модификации наночастицами серебра.

В случае если исследуемый объект находится на поверхности, обладающей плоскостью первого (наклон) или второго порядка (выпуклость или впадина), вклад в результирующее изображение вносит также геометрия самой иглы, что приводит к искажению величины и формы изображения нанообъекта.

Проведен расчет искажения изображения нанообъекта (наноразмерной пленки, находящейся на поверхности цилиндрического волокна радиусом R). Показано, что зависимость искажения изображения наноразмерной пленки L от координаты зонда по оси x принимает следующий вид:

R t L, (1) (R r) x где r – радиус заострения иглы кантилевера, t – толщина пленки.

Pages:     || 2 | 3 |






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