Введение к работе
Актуальн остьтемы
Развитие наноэлектроники возродило и интенсивно стимулирует интерес к технологии и пленкам Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ). Прежде всего привлекают возможности технологии ЛБ, которые могут обеспечить контролируемое поштучное нанесение мономолекулярных слоев (монослоев, МС), а также перспективы практического применения пленок ЛБ в элементах микро- и нано-
электроники
Технология ЛБ основана на самоорганизации молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) на границе раздела вода-воздух в двумерно упорядоченную структуру - так называемый ленгмюровский монослой, который может быть перенесен на твердые подложки с сохранением своей структуры.
Классическими веществами, применяемыми в технологии ЛБ, являются жирные кислоты и их соли. Специфика строения молекул жирных кислот определяет их способность образовывать стабильные МС на водной поверхности и, как следствие этого, - способность к самоорганизации.
Полиамидокислоты (ПАК) - класс полимеров, которые полимеризуются под действием температуры или химических реагентов. Это дает дополнительную возможность управления свойствами пленок ЛБ не только на твердой подложке, но и до переноса пленки на подложку, т.е. в процессе формирования МС на поверхности воды. В чистом виде полиамидокислоты не обладают поверхностно-активными свойствами. Для нанесения их на твердые подложки по технологии ЛБ они должны быть модифицированы поверхностно-активными веществами2.
Актуальным и перспективным в плане расширения возможностей применения технологии ЛБ для электроники является поиск ПАВ, в том числе растворимых в водной субфазе при комнатной температуре. К ним относятся вещества из класса сульфокислот с длинной углеводородной цепью, растворимостью которых можно управлять, изменяя температуру или состав водной субфазы.
Для получения пленок ЛБ с заданными свойствами очень важно знать принципы управления катионным составом пленок, а также условия, при которых в МС протекают те или иные физические процессы и химические реакции. Отдельные задачи такого типа входят в общую задачу по отработке элементов технологии получения пленок ЛБ с заданными свойствами.
В связи со сказанным большое значение представляют исследования, свя-
1 Petty М С Langmuir-Blodgetl films An introduction / Cambridge Cambridge University Press, 1996 -234 p Львов Ю M, Феигин Л А Ленгмюровские пленки - получение, структура, некоторые применения // Кристаллография -1987 -T 32,№3 -С 800-815
Молекулярная электронная база перспективных информационно-логических устройств Ш Г Рамбиди В М Заиалин Ю М Сандлер, П А Тодуа А С Халманскии II Итоги науки и техники Сер Электроника -M ВИНИТИ -1987 -T 22 -168с
ИМ&ПЄІ
Арсланов В В Полимерные монослои и пленки Ленгмюра-Блоджетт Влияние химической структуры по
лимера и внешних условий на формирование и свойства Орган ^«ЮНЯШЛЖвЯвиуяяришК^тыуеи // УСПС-
хихимии -1994 -T 63,№1 -С 3 "~"
РОС НАЦИОНАЛЬНА! БИБЛИОТЕКА
2*929 <
занные с формированием МС и определением их реологических параметров. Многие проблемы, касающиеся реологических свойств МС, не решены до сих пор и остаются очень актуальными. Реология поверхностей связана со специфическими экспериментами, интерпретация которых сложна и до сих пор недостаточно разработана3. Поэтому очень важным является расчет конкретных реологических параметров, по которым можно судить о состоянии МС, его технологичности и, в итоге, о возможности получения пленок с набором необходимых электрофизических свойств.
Примером практического применения пленок ЛБ является создание электронных сенсоров различных газов. Важнейшей задачей разработчиков сенсоров является повышение их чувствительности, селективности, долговечности при снижении энергопотребления и стоимости. Применение пленок Ж дает в этом плане определенные преимущества. Подбирая вещества, составляющие пленку, можно создавать такие условия на поверхности сорбента, при которых процессы десорбции газа будут протекать без термической стимуляции. Поэтому исследования электрофизических свойств пленок ЛБ при воздействии на них внешних факторов также являются актуальными.4
Перспективным направлением практического применения пленок ЛБ является возможность использования их в оптических приборах инфракрасного (ПК) диапазона в качестве просветляющих покрытий. При этом существует дополнительная возможность управления оптическими свойствами пленок ЛБ уже в процессе эксплуатации таких просветляющих покрытий. Об использовании пленок ЛБ в таком качестве имеется очень мало сведений, поэтому такие исследования также представляют большой интерес.
В связи с этим целью работы являлось:
Выявление особенностей формирования монослоев полимеров, жирных и сульфокислот при различных температурах на поверхности субфаз различного состава, особенности переноса монослоев на твердые подложки и возможности применения гетероструктур. содержащих пленки Лешмюра-Блоджетг. в микро- и наноэлектронике.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
экспериментальное определение реологических параметров монослоев, а также последовательности смены фаз при формировании мономолекулярных слоев соли полиамидокислоты, гидроксипропилцеллюлозы, стеариновой, арахиновой, олеиновой кислот, а также гексадецилсульфата натрия на поверхности водной субфазы;
выяснение влияния ионного состава, кислотности и температуры водной субфазы на реологические параметры, последовательность смены фаз при формировании монослоев солей жирных кислот и сульфокислота;
Абрамсон А А. Голоудина С И Об агрегатном состоянии монослоев ПАВ на поверхности жидкости // В кн Успехи коллоидной химии Л Химия, 1991 -400с -С 239-262 4 A study on gas sensor usmg electrrcat properties of fatty acid Langmuir-Blodgett films / Do-Kyun Kim, Yong-Sung Choi Jeong Soo and Younig Soo Kwon //.TMn Solid Rims -1998 -V 327-329 -P 612-615
выяснение влияние материала и толщины пленок Ленгмюра-Блоджетт на пропускание излучения в ближнем инфракрасном диапазоне ге-тероструктурами органическая пленка Ленгмюра-Блоджетт на неорганической полупроводниковой подложке;
выяснение влияния пленки Ленгмюра-Блоджетт на изменение проводимости и поверхностного заряда гетероструктур органическая пленка Ленгмюра-Блоджетт на неорганической подложке при действии на них паров йода, воды, спирта.
Научная новизна
Новизна результатов исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, состоит в следующем:
методом ступенчатого сжатия исследованы монослои октадециддй-метиламмониевой соли полипирромеллитамида, гидроксипропилцеллюлозы, стеариновой, арахиновой, олеиновой кислот на поверхности водной субфазы без добавок и субфаз, содержащих ионы магния, никеля и хрома; определены их основные реологические параметры, установлены конкретные диапазоны значения кислотности (рН), при которьж происходит образование нормальных и основных солей жирных кислот (стеаратов и арахинатов никеля, магния, хрома, олеата магния);
впервые показано, что растворимое при комнатной температуре вещество - гексадецилсульфат натрия - способно образовывать монослои на поверхности воды и переноситься по технологии Ленгмюра-Блоджетт на твердые подложки; установлено, что для достижения стабильности монослоя, достаточной для формирования и переноса на твердые подложки, температура водной субфазы не должна превышать 7 С; установлено, что при формировании монослоя гексадецилсульфата натрия при температурах выше 12 С изменение площади монослоя при постоянном давлении связано с уходом молекул с поверхности в объем водной субфазы, при температурах ниже 7 С - с перестройкой молекул в монослое;
обнаружено нетипичное смещение П-А зависимостей в сторону больших давлений и удельных площадей при понижении температуры для монослоя стеариновой кислоты на поверхности субфазы, содержащей ионы эрбия; дано объяснение наблюдаемому смещению изотерм сжатия, основанное на изменении растворимости стеарата эрбия при изменении температуры;
впервые обнаружено и исследовано влияние условий нанесения пленок Ленгмюра-Блоджетт на процессы изменения заряда поверхности подложки при сорбции и десорбции паров этанола на поверхность гетероструктуры пленка Ленгмюра-Блоджетт - металлическая подложка.
Практическая значимость
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
— определены реологические параметры монослоев полимеров октаде-
цилдиметиламмониевой соли полипирромеллитамида и гидроксипропилцел-
люлозы тарифицированной гексадекановой кислотой, что позволяет более полно судить о состоянии монослоев на водной поверхности, проводить количественную оценку их механических свойств и прогнозировать возможность их нанесения по технологии Ленгмюра-Блоджетг, знание чувствительных к фазовому состоянию монослоя сжимаемости и параметра 1/а, где а - угловой коэффициент уравнения прямой, аппроксимирующей участок изотермы сжатия, позволяют непосредственно перед нанесением монослоя судить о достижении в нем необходимого фазового состояния;
определены условия формирования монослоев гексадецилсульфата натрия и отработана технология получения пленок Ленгмюра-Блоджетг растворимого вещества - гексадецилсульфата натрия на твердых подложках, что расширяет возможности технологии Ленгмюра-Блоджетг,
отработаны элементы технологии создания пленок, способствующих повышению пропускания излучения инфракрасного диапазона кремниевыми пластинами, получен патент на «Способ получения просветляющего покрытия»;
созданы и исследованы действующие макеты электронных датчиков паров спирта, йода, воды, у которых в качестве чувствительных элементов использовались пленки Ленгмюра-Блоджетг жирных кислот и смесей на их основе.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Формирование монослоев нормальных магниевых, никелевых и хромных солей жирных кислот сопровождается достижением локального максимума на зависимости максимального поверхностного давления от кислотности субфазы, локального минимума на зависимости сжимаемости жидкоконденсиро-ванной фазы от кислотности субфазы и уменьшением диапазона поверхностных давлений при формировании жидкорасширенной фазы, а также исчезновением экстремума на изотерме сжатия при достижении коллапса монослоя.
-
Формирование монослоев основных магниевых, никелевых и хромных солей жирных кислот сопровождается достижением локального минимума на зависимости максимального поверхностного давления от кислотности субфазы, локального максимума на зависимости сжимаемости жидкокон-денсированной фазы от кислотности субфазы, уменьшением диапазона поверхностных давлений при формировании жидкорасширенной фазы.
-
Экспериментально установлено, что для получения на поверхности воды и последующего переноса мономолекулярных слоев растворимых в воде при комнатной температуре длинноцепочных сульфокислот температура водной субфазы не должна превышать 7 С.
-
Экспериментально установлено, что нанесение монослоя арахиновой кислоты на металлическую подложку обеспечивает возможность сорбции паров спирта, которая сопровождается изменением поверхностного заряда на подложке.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на
следующих научных семинарах, конференциях и выставках:
Средневолжском семинаре «Физика поверхности и молекулярная электроника» (Ульяновск, 1991 г.); V-й Международной конференции по физике и технологии тонких пленок Фі'111-V (Ивано-Франковск, 1995 г.); Международной конференции «Датчик - 95», (Алушта, 1995 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-96 (Саратов, 1996 г.); Научно-технической конференции «Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Саратов, 1996 г.); Всероссийской межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» Минобразования РФ, Фонда фундаментальных исследований (Саратов, 1997 г.); Научно-техническом семинаре «Перспективные подходы к решению проблем экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Астрахань, 1997 г.); Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 1998 г.); Научно-технической конференции «Проблемы экологической безопасности» (Саратов, 1998 г.); XI Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2000) (Санкт-Петербург, 2000 г.); Конференции-выставке по программе Минобразования «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел 01 «Материалы для микро- и наноэлектроники», подпрограмма «Новые материалы» (Москва, 2001 г.); ПО Всероссийском семинаре «Ленгмюровские пленки и ансамбли амфифильных молекул» (Москва, 2002 г.); Научно-технической конференции «Перспективные направления развития электронного приборостроения» (Саратов, 2003 г.); IV Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ 2003) (Москва, 2003 г.); научных семинарах кафедры физики полупроводников СГУ.
Публикации
По теме диссертации опубликована 31 научная работа, в числе которых 6 статей и два патента РФ. Список основных публикаций автора приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 204 страницах, включая 92 рисунка, 6 таблиц, 3 приложения, список литературы из 148 наименований, который включает ссылки на 31 работу автора диссертации.
Похожие диссертации на Формирование ленгмюровских монослоев и исследование возможности их применения
