способ получения упорядоченных наноструктурированных пленок на основе наночастиц. Многокомпонентные наноструктурные пленки


Тонкие наноструктурированные пленки

Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой органи­зованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами.

1. Хорошо известно получение нанопленок методами эпитаксии. В этом случае на ориентированную поверхность монокристалла наносят лазерным испарением или с помощью молекулярных пучков требуемое вещество.

2. Метод CVD (химическое парофазное осаждение веществ) состоит в том, что исходное вещество испаряется в отдельной камере, а затем переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на вы­бранную подложку. На рис. 1.17 приведена схема установки по по­лучению тонких пленок на выбранную поверхность, которая включает реактор с вращающейся под­ложкой, емкости для испаре­ния прекурсоров, системы пода­чи паров прекурсоров, газов но­сителей, газов реагентов и примесных газов и систему откачки.

В качестве летучих веществ получения пленок металла используются летучие карбонилы металлов, металлоцены, дикетонаты металлов, алкильные соединения металлов и галогениды металлов. Процессы разложенмя исходного материала определяются прежде всего температурой подложки, которая обычно подогревается, а также температурой паров и газовой смеси.

 

В области низких температур подложки, например, 130÷190° С для Fe(CO)5 и 100÷1500 С для Ni(CO)4 рост пленки опреде­ляется в основном скоростью разложения карбонилов (кинетическая об­ласть), при температурах ~200° С рост пленки переходит в диффузионную область и замедляется, при более высоких температурах рост пленки пре­кращается полностью, поскольку прекурсор разлагается в объеме не дохо­дя до подложки. Нагрев подложки, находящейся внутри реактора, может осуществляться за счет пропускания электрического тока или индукцион­ным током высокой частоты, ИК излучением и т.д. Температура нагрева летучего прекурсора в испарителе также сильно влияет на образование пленки, так как обуславливает скорость подачи паров в реактор. Вторым фактором, определяющим образование пленки, является давление в реак­торе и скорость откачки. При увеличении давления разложение карбонилов на поверхности подложки замедляется и рост пленки прекращается, при уменьшении давления и скорости подачи прекурсора рост пленки бу­дет также замедляться. Необходим оптимум, который обеспечивает приток прекурсора и удаление продуктов разложения, например СО. Третий фак­тор, обеспечивающий образование пленки, это концентрация исходного металлсодержащего соединения. Увеличение концентрации прекурсора ведет к его разложению уже в объеме реактора и образованию отдельных кластеров металла, как в аэрозольном методе. Разбавление паров прекур­сора приводит к снижению скорости образования пленки и ее модифици­рованию. Наконец, действие каталитических добавок снижает температуру разложения карбонилов и увеличивает скорость их образования.

3. Метод молекулярного наслаивания состоит в организации поверхностных химических реакций с пространственным и временным разделением. С помощью замещения, например, гидроксильных групп на поверхности окиси алюминия или окиси кремния и на различные анионы, затем на катионы можно создавать нанопленки любой толщины от монослоя атомов до десятка слоев на поверхности.

4. Нанопленки получаются путем осаждения и выпаривания кол­лоидных растворов. Здесь необходимо иметь в виду, что создание высокоорганизованной пленки вступает в противоречие с ее прочностью. Пленки, полученные по принципу свободного падения кластеров типа падения апельсинов на подложку получаются организованными, но не­прочными, а попытки связать кластеры лигандами и сделать пленку достаточно прочной приводят к потери ее организации.

5. Эффективным методом получения нанопленок служит технология Ленгмюра—Блоджетт. Необходимо отметить, что метод был предложен более чем пятьдесят лет назад лауреатом Нобелевской премии (1932) Ленгмюром еще в 1920 г. и развит его коллегой Блоджетт в 1935 г. На поверх­ности воды формируется монослой ПАВ, в который могут входить ионы металлов и их комплексы. В пленку можно включить также и нанокластеры. Затем с помощью ванн Ленгмюра—Блоджетт пленки с поверхности жидкой фазы переносят на твердую поверхность. В результате получаются организованные нанопленки с регулируемым числом молекулярных слоев. Процесс получения пленок показан на рис. 1.18. На поверхность во­ды впрыскивается раствор амфифильного соединения (ПАВ). Количество вещества подбирается так, чтобы площадь его монослоя не превысила площадь рабочей поверхности ванны Ленгмюра. Затем с помощью плаву­чего барьера задается поверхностное давление, для того чтобы перевести монослой в жидкокристаллическое состояние, которое необходимо для его переноса на твердую подложку. Это давление регистрируется специ­альными весами. Далее с помощью микрометрической подачи подложка опускается или поднимается сквозь монослой.

 

 

Перед нанесением каждого следующего монослоя барьер ав­томатически сдвигается влево так, чтобы сохранить давление на пленку. Процесс осаждения монослоев на подложку зависит от температуры и рН раствора, поверхностного давления и скорости подачи подложки.

В зависимости от направления движения подложки сквозь монослой получается пленка Л—Б с различной молекулярной ориентацией. При движении подложки вниз, рис. 1.19, на твердой гидрофобной поверхности формируется монослой с ориентированными к подложке гидрофобными хвостами ПАВ, который образует структуру Х-типа, при движении гидро­фильной подложки вверх формируется мультислой, называемый структу­рой Z-типа. Поочередное прохождение подложки сквозь монослой сверху вниз и снизу вверх дает мультислой Y-типа, аналогичный по структуре липидным слоям биологических мембран. Возможно получение как мо­номерных, так и полимерных пленок Л—Б. В случае полимерных пленок возможно применение трех вариантов: формирование монослоев поли­меров на поверхности жидкости и их перенесение на твердую подложку, формирование монослоев из мономеров с последующей полимеризацией, а затем перенесение на твердую подложку и формирование монослоев из мономеров, перенесение их на твердую подложку, а затем полимериза­ция в пленке Л—Б.

 

 

 

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) были обнаружены в 1991 г. Иджимой и представляют собой цилиндрические организованные структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до не­скольких микрон. Таким образом, нанотрубки представляют собой квази­одномерные структуры. Нанотрубки встречаются в природном материа­ле — шунгите — однако в настоящее время они получаются искусственно несколькими способами.

1. Наиболее широкое распространение получил метод синтеза, осно­ванный на использовании дугового разряда с графитовыми электро­дами, разработанный Кретчмером для получения фуллеренов из сажи. На рис. 1.20 показана схема установки.

Дуговой разряд между графитовыми электродами горит в камере с охлаждаемыми стенками при давлении буферного газа (Не или Аr) около 500 Торр.

 

 

 

Межэлектродное пространство поддерживается на посто­янном уровне (около 1 мм) за счет подвижного расходуемого анода. При токе 100 А и напряжении на электродах 25 -г 35 В температура плазмы в межэлектродной области достигает значений 4 000 К. За счет конвекции атомы углерода уносятся в более холодную область плазмы, где часть из них образуют нанотрубки. Более производительная установка работает с применением жидкого азота.

2. Абляция графита с помощью лазерного облучения в атмосфере буферного газа.

Именно этот метод был пионерским в получении фуллеренов. При­меняется неодимовый лазер с длительностью импульса 8 не и активным пятном на графитовом стержне — 1,6 мм. Продукты термического рас­пыления графита уносятся из горячей области вместе с буферным га­зом и осаждаются на водоохлаждаемой поверхности медного коллектора. Эти продукты включают фуллерены, наночастицы графита и углерод­ные нанотрубки (однослойные и многослойные). Характеристики УНТ чувствительны к параметрам лазерного облучения, в частности, к длитель­ности и интенсивности лазерного импульса, что позволяет синтезировать нанотрубки с заданными структурными свойствами. Недостатком мето­да

cледует считать его невысокую производительность. Возможно также применение вместо лазера сфокусированного солнечного излучения.

3. Каталитическое разложение углеводородов.

Каталитическое разложение углеводородов на поверхности металли­ческого катализатора приводит к эффективному выходу УНТ. Подобный метод использовался ранее в CVD процессах для получения тонких угле­водородных волокон. Схема синтеза приведена на рис. 1.21. Катализатор, состоящий из высокодисперсного металла, заполняет керамический ти­гель, заключенный в трубчатую печь при температуре 700 ÷ 1 000° С, и продувается смесью — газообразного углерода и буферного газа, на­пример смесью С2Н2 : N2 в соотношении 1:10. Высокая степень од­нородности УНТ достигается при использовании пористой подложки с максимально высокой степенью однородности пор. Оптимальной ока­зывается ситуация, когда поры заполнены кластерами металла, размер которых совпадает с размерами пор. В этом случае диаметр УНТ, обра­зующихся на поверхности катализатора, оказывается близким к размерам кластера и, соответственно, диаметру пор. Таким способом получают ориентированные УНТ относительно поверхности подложки, в частности на поверхности пористого кремния, наиболее употребляемого материала в микроэлектронике. Каталитический способ получения УНТ хорош так­же возможностью управления геометрическими характеристиками УНТ с помощью подбора металлов для катализаторов или их сплавов.

 

 

Глава 2

Общие положения

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru

способ получения упорядоченных наноструктурированных пленок на основе наночастиц - патент РФ 2387044

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к получению нанострукгурированных тонкопленочных материалов с заданными свойствами для микро- и наноустройств: микро- и наносенсоров, чипов, фотонных кристаллов и т.д. Сущность изобретения: в способе получения упорядоченных наноструктурированных пленок на основе наночастиц путем структурирования подложки и последующего нанесения на него слоя сферических наночастиц материала пленки методом центрифугирования наночастиц из дисперсии, структурирование подложки осуществляют путем нанесения на подложку слоя сферических наночастиц большего диаметра, чем наночастицы материала пленки, методом центрифугирования. Изобретение обеспечивает более тонкое структурирование подложки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

Рисунки к патенту РФ 2387044

Область техники

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к получению наноструктурированных тонкопленочных материалов с заданными свойствами для микро- и наноустройств: микро- и наносенсоров, чипов, фотонных кристаллов и т.д.

Уровень техники

Перечень терминов

Наночастицы - органические или неорганические гранулы размерами 1-100 нм (нанометров). Ансамбли наночастиц - совокупность наночастиц, образующих структуру определенной архитектуры.

Метод центрифугирования (spin-coating technology) - метод нанесения тонких пленок, основанный на покрытии подложки раствором материала с последующим быстрым ее вращением, приводящим к испарению растворителя и образованию тонкой пленки. Наноструктурированая пленка - тонкое покрытие, структура которого характеризуется рельефом с 1-100 нм, органических или неорганических частиц, гранул размерами 1-100 нм свободных или в связующем полимере, микрочастиц с наноразмерными порами. Тонкие пленки - полимерные слои толщиной от нескольких нм до десятков мкм. Тонкопленочные устройства - электронные устройства, состоящие из двух и более слоев толщиной менее 1 мкм, а также других необходимых структурных элементов: электродов, изолирующей оболочки.

Подложка - поверхность, материал, на который наносится раствор наночастиц и в процессе испарения растворителя происходит процесс самосборки наночастиц. Самосборка наночастиц - процесс упорядочения совокупности наночастиц за счет сил взаимодействия наночастиц друг с другом, с подложкой и растворителем в процессе испарения растворителя.

Разработка методов получения упорядоченных ансамблей наночастиц и формирование на их основе наноструктурированных функциональных пленок с заданными характеристиками - одна из актуальных проблем современной фундаментальной и прикладной науки. Упорядоченные ансамбли формируются из тонких пленок или микрокапель раствора (Nagayama, К. Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 109 (1996) 363-374; Aizenberg J., Braun P.V., Wiltzius P. Patterned Colloidal Deposition Controlled by Electrostatic and Capillary Forces. Phys. Rev. Lett. VOL 84, N 13. P. 2997-3000; Br'etagnol F., at al. Fabrication of functional nano-patterned surfaces by a combination of plasma processes and electron-beam lithography. Nanotechnology 18 (2007) 135303). Технологии самосборки основываются на процессе самоорганизации ансамбля наноструктур в диссипативной системе (Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. - М.: Мир, 1979. 512 с.).

Существующие технологии управления архитектурой ансамбля основаны на использовании кинетического фактора, реализуя процесс самосборки ансамбля наночастиц при испарении растворителя из слоя (капли) коллоидного раствора микро- или наночастиц, нанесенного на подложку. При такой технологии можно управлять архитектурой ансамбля, варьируя время испарения, толщину исходного слоя раствора и т.д. Особые условия возникают при реализации процесса в малом объеме. Уменьшение объема системы от микро- к наномасштабам приводит к пространственному перераспределению заключенных в нем наноструктур с образованием на подложке их упорядоченного или частично упорядоченного ансамбля некоторой архитектуры.

Процессы упорядочения могут быть основаны на способности так называемых диссипативных структур в открытой системе к самоорганизации за счет необратимых процессов с фазовым переходом (Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. - М.: Мир, 1979. 512 с.) Их физическая реализация может заключаться в использовании микрообъемов испаряющегося в атмосферу или окружающую или среду растворителя, содержащего данные наночастицы (в виде эмульсии или коллоидного раствора).

В качестве микрореакторов, в изменяемом объеме которых происходит процесс самоорганизации наноструктур и которые являются своего рода интерфейсом между микро- и наномасштабами упорядочения, могут выступать как микрокапли раствора на подложке, так и тонкие пленки такого раствора. В первом случае система ограничена в трех изменениях, во втором можно говорить об одномерном пространственном ограничении. Выбором геометрии микрореактора определяется и применяемая технология.

Для автоматизированного создания микрокапель (матриц микрокапель) существует две основных технологии: 1. Системы с рабочей частью типа игла-кольцо (pin-and-ring). Примером прибора такого типа является микроробот Affymetrix GMS 417 Arrayer, предназначенный для создания биочипов. 2. Струйные технологии (ink-jet printing) - создание микрокапель растворов с помощью специальной реактивной насадки, выбрасывающей заданную порцию раствора на подложку в определенном ее месте, наподобие того, как это реализуется в струйном принтере.

Исследования, проведенные в ЦФ РАН, показали, что испарение в микрообъемах обладает сильной нестационарностью, причем время испарения растворителя позволяет существенно контролировать морфологию твердой фазы, образующейся из раствора на подложке.

Схожие процессы имеют место в тонких пленках, стандартизированное нанесение которых с возможностью широкого варьирования толщины пленки и растворителя с технологической точки зрения возможно с большим успехом, чем создание микрокапель. Метод центрифугирования (технология spin-coating) позволяет наиболее точно контролировать время испарения, а значит, и процессы формирования морфологии наноструктуры.

Поэтому метод центрифугирования является перспективной технологией получения наноструктурированных самособирающихся упорядоченных слоев на основе полимеров и наночастиц и материалов тонкопленочных наноструктурированных слоев, применяемых в качестве элементов хемосенсоров (их подложек), а также оптических светоизлучающих диодов (ОСИД) (OLED - organic light emitting diode, а также PLED - polymer light emitting diode) - в качестве материалов защитного барьерного слоя, предотвращающего попадание влаги и кислорода в светоактивную среду.

Наноструктурированные пленки могут быть использованы как элементы оптических сенсорных устройств, в том числе - мембран, покрывающих индикаторный слой, замедляющих прохождение газофазного аналита к чувствительным элементам сенсора. Скорость диффузии аналита через мембрану при этом является дополнительным дескриптором для определения аналита.

Кроме того, методики, развитые для получения наноструктурированных слоев на основе наночастиц, могут быть использованы при получении фотонных кристаллов. Известно применение технологии ink jet printing для изготовления 3D-ансамблей размером около 50 нм для производства фотонных кристаллов.

Центрифугирование широко используется для получения тонких пленок методом ??? (см., например, патент, Cui, at al. US 7,090,783 (2006).

Для оптических приложений (фотонные кристаллы), а также для хемосенсоров может быть интересно получение таких пленок, в которых наночастицы сгруппированы в ячейки, которые расположены упорядоченно. Данного эффекта можно добиться при самосборке пленки не на гладкой подложке, как обычно, а на предварительно структурированной, т.е. имеющей рельеф - лунки, борозды, канавки, в которые попадают наночастицы при самосборке.

Структурирование подложки - это важная технологическая проблема. Так, в патенте US 7,247,349 В2 (2007) (Method of self-assembly and optical applications of crystalline colloidal patterns of substrates) описывается способ структурирования подложки методом лазерной литографии с последующим получением структурированной пленки нанесением раствора по технологии центрифугирования. Данный способ является наиболее близким к предложенному.

Недостаток подхода к структурированию подложки на основе лазерной литографии связан с тем, что управление рельефом осуществляется выбором параметров лазерного излучения, при этом, поскольку длина волны промышленных лазеров находится в диапазоне видимого света, невозможно структурировать подложку, создавая на ней детали рельефа (лунки и т.д.) размером менее нескольких сотен нм.

Раскрытие изобретения

Для нужд нанотехнологий бывает необходимо применение более тонкого структурирования подложки. Это является задачей изобретения.

Для решения этой задачи предложено структурировать подложку, нанося на гладкую подложку упорядоченные слои наночастиц. При этом упорядоченный рельеф подложки создается самими частицами.

Данная задача решается способом получения упорядоченных наноструктурированных пленок на основе наночастиц путем структурирования подложки и последующего нанесения на него слоя сферических наночастиц материала пленки методом центрифугирования наночастиц из дисперсии, отличающийся тем, что структурирование подложки осуществляют путем нанесения методом центрифугирования на подложку слоя сферических наночастиц большего диаметра, чем наночастицы материала пленки.

В частном случае для структурирования подложки в качестве сферических наночастиц используют частицы полистирола с поверхностными карбоксильными группами диаметром 1015-1025 нм.

При этом в качестве наночастиц материала пленки могут быть использованы частицы полистирола с поверхностными амино- и имидозолиновыми группами диаметром 88-92 нм, а также частицы кремнезема с поверхностными силанольными группами диаметром 220-230 нм.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показана подложка, структурированная упорядоченным слоем наночастиц. На фиг.2 показаны электронные микрофотографии полимерных частиц диаметром 90 нм (А) и 1020 нм (Б), а также результаты атомно-силовой микроскопии частиц кремнезема диаметром 225 нм (В). Цветные круги показывают различные типы упаковки сфер, присутствующие в образце - гексагональная (желтый контур) и квадратная (красный контур).

На фиг.3 показано полученное с помощью атомно-силового микроскопа изображение образца, синтезированного методом центрифугирования из суспензии полистирольных частиц диаметром 1020 нм. Поверх 1020 нм микросфер нанесены полистирольные частицы диаметром 90 нм.

На фиг.4 показано полученное с помощью атомно-силового микроскопа изображение образца, синтезированного методом центрифугирования из суспензии полистирольных частиц диаметром 1020 нм. Поверх 1020 нм микросфер нанесены частицы кремнезема диаметром 225 нм.

При упорядоченном расположении частиц они образуют рельеф, характеризующийся наличием возвышенностей (верхние части наночастиц) и впадин (пространство между наночастицами) (см. фиг.1). Дальнейшее формирование наноструктурированной подложки будет заключаться в том, чтобы нанести на структурированную подложку методом центрифугирования наночастицы меньшего диаметра, на расположение которых при самосборке структурированная подложка окажет упорядочивающее воздействие (см. фиг.3, 4).

Экспериментальные и теоретические исследования возможностей данного метода, проведенные в ЦФ РАН, показали его перспективность.

Управление морфологией формирования наноструктурированной пленки с помощью указанного метода осуществляется варьированием сил взаимодействия между наночастицами и подложкой, а также с учетом закономерностей самосборки. Они становятся ясны из следующих теоретических соображений.

Движущей силой, вызывающей перемещения наночастиц при самосборке и оптимизацию их взаимного расположения (понижение свободной энергии системы), является перемещение межфазной границы дисперсионная среда - воздух, силы инерции (в случае применения технологии центрифугирования), а также связанные с этим гидродинамические потоки. Межчастичные взаимодействия являются практически точечными, контактными. Поэтому энергию финальной системы частицы - подложка можно оценивать по энергии контактов между частицами. Идеально упакованной системе отвечает расположение частиц, соответствующее оптимальному соотношению контактов частиц разных сортов друг с другом и с подложкой.

Пусть свободная энергия системы раствор - наночастица - подложка может быть представлена в виде:

где Cij - энергия контакта наночастицы i-того и j-того типов, Nij - количество контактов наночастиц i-того и j-того типов (возможна и ситуация, когда i=j (в этом случае контактируют частицы одного типа), S k - энергия контакта наночастицы k-того типа с подложкой, Nk - количество таких контактов; n - количество типов частиц.

При этом следует отметить, что перемещение частиц, приводящее к оптимизации функции (1), возможно, как правило, только при наличии растворителя, когда частицы сохраняют подвижность. Когда растворитель испаряется, частицы, в основном, фиксируются на тех местах, на которых они оказались к этому моменту. Поэтому кинетика испарения растворителя имеет важное значение, т.е. определяющую роль играют скорость испарения и локализация смоченных областей на финальной стадии высыхания. Характер адсорбции растворителя на частицах и подложке также следует иметь в виду при анализе формулы (1). Кроме того, надо заметить, что по мере удаления растворителя энергия межчастичного контакта все в большей степени определяется когезионными или адгезионными взаимодействиями, т.е. энергия контакта становится все более отрицательной. Поэтому система агрегированных частиц энергетически выгоднее системы изолированных частиц.

Рассмотрим конкретные случаи.

1. Пусть в системе имеются частицы одного типа. При этом (1) принимает вид

где С - энергия контакта между частицами, Npp - количество межчастичных контактов, S - энергия контакта частицы с подложкой, Nsp - количество контактов частиц с подложками.

При этом возможны два случая:

а) С<S (энергия контакта частицы с подложкой больше, чем энергия межчастичного контакта). При этом энергетически выгодна такая конфигурация, при которой число контактов с подложкой максимально. Предельный случай - каждая частица имеет контакт с подложкой (Nsp=N, где N - полное число частиц). В случае если при этом условии достигается максимальное число контактов между частицами, это соответствует ситуации образования 2D-системы или монослоя.

б) С>S (энергия контакта частицы с подложкой меньше, чем энергия межчастичного контакта). При этом энергетически выгодна такая конфигурация, при которой число контактов с подложкой минимально, а число контактов между частицами максимально. Это означает, что возникает 3D-ансамбль, - структура с минимальной площадью контакта с подложкой, максимально компактная, по крайней мере, частично соответствующая плотной упаковке (поскольку это не противоречит минимизации площади контакта с подложкой).

2. Пусть в системе имеются частицы двух типов. При этом (1) принимает вид

Если частицы состоят из материалов, сильно отличающихся по природе, например, гидрофобных и гидрофильных, то энергетически выгодно образовывать контакты с частицей своего типа. В этом случае N12 должно быть минимальным, a N11 и N22 максимальными. Но, кроме того, необходимо учитывать контакты с подложкой. Например, если частицы первого типа имеют хорошую адгезию к подложке, а частиц второго типа взаимодействуют с ней слабо, то второй тип частиц будет вытесняться наверх, при этом число контактов первого типа частиц будет максимальным.

Насколько полно реализуются эти тенденции, зависит от кинетики процесса высыхания: в какой степени успевает система частиц прийти в конфигурацию с минимальной энергией, пока частицы не потеряли подвижность, и в какой степени этому препятствуют капиллярные, инерционные и гидродинамические силы, возникающие при испарении растворителя.

Все это иллюстрирует возможность управления морфологией наноструктурированной пленки путем выбора материала наночастиц и подложки, очередности нанесения слоев, а также кинетики высыхания дисперсионной среды для формирования методом центрифугирования упорядоченных систем наночастиц заданной архитектуры.

Примеры процедуры получения наноструктурированной пленки

1. Приборы и материалы, подготовка наночастиц

Нанесение пленки производилось методом центрифугирования из водной дисперсии наночастиц на установке Spincoater P6700 производства Specialty Coating Systems (США) с модулем расширения Dispenser D6004, которая позволяет получать однослойные и многослойные пленки толщиной от сотых долей микрона. Процесс нанесения жидкой фазы на подложку полностью автоматизирован. Благодаря синхронизации модуля нанесения водных дисперсий и центрифуги, скорость вращения которой составляет от 100 до 8000 оборотов в минуту, а время разгона - от 1 до 30 с в зависимости от требований технологического процесса, можно программировать сложные многоступенчатые процессы и получать пленки с заданными параметрами.

В качестве подложки использовали покровные стекла для микроскопа толщиной 0.17 мм, размером 23×23 мм. Особое внимание уделялось процессу промывки стекол, т.к. наличие даже незначительного количества примесей на поверхности стекла существенно влияет на адсорбцию частиц.

Для нанесения использовались монодисперсные сферические частицы различной природы: полимерные и кремнеземные (фиг.1). Характеристики дисперсий сферических наночастиц, использованных для нанесения, приведены в Таблице 1 (дисперсионная среда - дистиллированная вода).

Таблица 1
Материал сферических наночастиц D, НмКонцентрация, мас.% (рН=6.8), мВ
1Сополимер стирола с N-винилформамидом, частицы с поверхностными амино- и имидозолиновыми группами90 1.92 +48
2 Полистирол с поверхностными карбоксильными группами 102010.0 -52
3 Кремнезем с поверхностными силанольными группами 2254-5 -42

Монодисперсные полимерные наночастицы диаметром 90 нм были получены эмульсионной сополимеризацией стирола (Ст) с N-винилформамидом (ВФА) (97:3 массовых частей) под действием радикального инициатора с катионными имидозолиновыми группами - 2,2'-азо-бис-[2-(2-имидазолин-2-ил)пропан] дигидрохлорида в растворах катионного поверхностно-активного вещества цетилтриметиламмоний бромида [Шевченко Н.Н., Меньшикова А.Ю., Баженова А.Г., Селькин А.В., Анищенко Е.С., Якиманский А.В. // Самосборка монодисперсных полимерных частиц в фотонные кристаллы и введение в них хромофоров. Химия высоких энергий, 2008. Т. 42. № 4. С.(в печати)]. В процессе синтеза мог также происходить частичный гидролиз находящихся в поверхностном слое формируемых частиц сополимера П(Ст-ВФА) звеньев N-винилформамида с образованием алифатических аминогрупп. Поэтому эти наночастицы имели поверхностные амино- и имидозолиновые группы. Полученную полимерную дисперсию очищали от водорастворимых примесей, в том числе и от эмульгатора, диализом против бидистиллированной воды с ее периодической сменой до тех пор, пока электропроводность воды не переставала изменяться. Далее методом микрэлектрофореза на анализаторе Malvern Zetasizer Nano ZS определяли -потенциал частиц (фоновый электролит - 10-3 М NaCl), который имел высокое положительное значение благодаря ионизации амино- и имидозолиновых групп на поверхности частиц (Таблица 1).

Монодисперсные микросферы полистирола диаметром 1020 нм получали методом безэмульгаторной эмульсионной полимеризации стирола в присутствии буферной соли, гидрофосфата натрия, под действием радикального инициатора 4,4'-азо-бис(4-цианизовалериановой кислоты), который вводит в полимерные цепи концевые карбоксильные группы [Меньшикова А.Ю., Евсеева Т.Г., Шабсельс Б.М., Ильина И.Е., Власов Г.П. // Влияние кислотно-основного равновесия в процессе безэмульгаторной полимеризации стирола с карбоксилсодержащим инициатором на коллоидные характеристики дисперсной системы Коллоидн. журн. 1997. Т. 59. № 5. с.671-675]. Полученную полимерную дисперсию очищали от водорастворимых примесей методом трехкратного последовательного центрифугирования и редиспергирования в бидистиллированной воде. Стандартным методом микрэлектрофореза определяли -потенциал частиц полистирола и кремнезема (фоновый электролит - 10-3 М NaCl), которые имели высокое отрицательное значение благодаря ионизации поверхностных карбоксильных или силанольных групп (Таблица 1).

Диаметр полимерных частиц определяли методом электронной микроскопии (электронный микроскоп JEM 100 S фирмы "JEOL", Япония). Образцы наносили на формваровые подложки, обработанные 1% раствором додецилсульфата натрия. После высушивания производили фотографирование. Среднечисленный диаметр рассчитывали исходя из размера 200-500 частиц, который определяли по электронным микрофотографиям.

Морфологии пленок и их толщины изучались на атомно-силовом зондовом микроскопе Solver Bio фирмы NT MDT (Россия).

Первый этап получения пленки: структурирование подложки

Структурирование подложки осуществлялось нанесением методом центрифугирования слоя раствора полистирольных частиц диаметром 1020 нм (таблица 1).

Вначале капля раствора объемом 0.5 мл наносилась на неподвижную стеклянную подложку, установленную на spin-coater. Далее осуществлялась раскрутка подложки в несколько стадий, описанных в таблице 2. Первая стадия - разгон до небольшой угловой скорости 100 об/мин - предназначена для предварительной «размазки» капли раствора по поверхности подложки. Две последующие стадии, характеризуемые высокой скоростью вращения, - предназначены для формирования тонкого слоя раствора и быстрого испарения растворителя. После указанной процедуры вращение прекращается. Результатом является формирование упорядоченного слоя частиц на стекле - структурированной подложки.

В таблице 2 приведены режимы нанесения слоев на подложку. RPM - скорость вращения подложки (до трех последовательных скоростей вращения), RAMP - время выхода на заданную скорость, TIME - время вращения с заданной скоростью.

Таблица 2
диаметр, нм состав Режим нанесения
RPM, об/минRAMP, сTIME, с
1020 полистирол100 1 30
2000 1 10
6000 1 10

Второй этап получения пленки: нанесение вторичного (структурируемого) слоя частиц

На структурированную согласно вышеизложенному подложку также методом центрифугирования наносится раствор частиц меньшего размера. Рассмотрим нанесение вторичного слоя полистирольных частиц диаметром 90 нм и (второй вариант) частиц кремнезема диаметром 225 нм.

При этом стадии нанесения методом центифугирования точно такие же, как при нанесении первичного слоя, показаны в таблицах 3 и 4.

В таблице 3 приведены режимы нанесения раствора полистирольных частиц на подложку. RPM - скорость вращения подложки (до трех последовательных скоростей вращения), RAMP - время выхода на заданную скорость, TIME - время вращения с заданной скоростью.

Таблица 3
диаметр, нм Состав Режим нанесения
RPM, об/минRAMP, сTIME, с
100 130
2000 1 10
90 полистирол 60001 10

В таблице 4 приведены режимы нанесения раствора кремнеземных частиц. RPM - скорость вращения подложки (до трех последовательных скоростей вращения), RAMP - время выхода на заданную скорость, TIME - время вращения с заданной скоростью.

Таблица 4
диаметр, нм Состав Режим нанесения
RPM, об/минRAMP, сTIME, с
100 130
2000 1 10
225 кремнезем 60001 10

После нанесения вторичного слоя реализуется эффект тонкого структурирования подложки вторичным слоем частиц - наноструктурированная пленка (фиг.3 и 4).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения упорядоченных наноструктурированных пленок на основе наночастиц путем структурирования подложки и последующего нанесения на него слоя сферических наночастиц материала пленки методом центрифугирования наночастиц из дисперсии, отличающийся тем, что структурирование подложки осуществляют путем нанесения на подложку слоя сферических наночастиц большего диаметра, чем наночастицы материала пленки, методом центрифугирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для структурирования подложки в качестве сферических наночастиц используют частицы полистирола с поверхностными карбоксильными группами диаметром 1015-1025 нм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве наночастиц материала пленки используют частицы полистирола с поверхностными амино- и имидозолиновыми группами диаметром 88-92 нм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве наночастиц материала пленки используют частицы кремнезема с поверхностными силанольными группами диаметром 220-230 нм.

www.freepatent.ru

Книга Новые материалы под редакцией Карабасова Ю.С.

Книга «Новые материалы» (под ред. Карабасова)

Описание книги Новые материалы:

Представлены результаты научно-исследовательских работ, выполненных учеными высшей школы по подпрограмме «Новые материалы» в рамках научно-технической программы Минобразования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Важное место занимают нанотехнологии и наноматериалы, лежащие в основе многих металловедческих задач и, в частности, в области материалов для микро- и наноэлектроники. Описаны достижения по биосовместимым материалам и сплавам с памятью. Большое внимание уделено композитам, порошкам, функциональным покрытиям, твердым сплавам и целой группе сталей и сплавов со специальными свойствами (сверхпроводящие сплавы, магнитные материалы и др.), новым полимерным материалам. Приводятся достижения по текстильным и кожевенным материалам улучшенного качества.

Для выполнения фундаментальных и прикладных исследований, включающих разработку обших принципов, привлечены специалисты в области физики, металлургии, металловедения и металлофизики, кристаллографии и рентгенографии. Комплексное решение задач — одна из особенностей вузовской науки.

Развитие исследований по созданию новых материалов, отвечающих требованиям высоких технологий, полностью соответствует приоритетным направлениям критических технологий Федерального уровня «Новые материалы и химические технологии».

Книга представляет большой интерес для студентов, научных и инженерно-технических работников, специалистов, занятых разработками и исследованиями новых материалов.

Научный редактор Карабасов Ю.С.
Издательство: «МИСИС»
Издано: Москва, 2002год
Скачать: DJVU

Содержание книги  Новые материалы:

Нанокристаллические материалы

Нанопорошки: получение и свойства

  • Химические методы получения нанопорошков.
  • Способ осаждения.
  • Гель-метод.
  • Способ восстановления и термического разложения.
  • Физические методы получения нанопорошков.
  • Механические методы получения нанопорошков.

Объемные наноструктурные материалы

  • Особенности модели наноструктур.
  • Необычные свойства НСМ и области применений.
  • Нанопроволоки и нановолокна.
  • Нанопроволока на основе кремния и германия.

Производство и коммерциализация наноматериалов.

Материалы микроэлектроники и наноэлектроники

Актуальные проблемы технологии и материаловедения полупроводников

Выращивание монокристаллов:

  • Особенности дефектообразования в бездислокационных и малодислокационных монокристаллах.
  • Дефектообразование в бездислокационных монокристаллах.
  • Дефектообразование в малодислокационных монокристаллах.
  • Изготовление пластин и возможности геттерирования загрязняющих примесей.
  • «Прямое» соединение монокристаллических пластин – новый перспективный метод формования приборных структур.

Выращивание эпитаксимальных структур:

  • Общие проблемы.
  • Кремниевые эпитаксимальные структуры.
  • Эпитаксимальные структуры полупроводниковых соединений.
  • Материаловедческие проблемы кремниевой оптоэлектроники.
  • Тонкопленочные структуры на основе аморфного гидрированного кремния и родственных ему материалов.
  • Фуллерены – материалы будущего.

Структуры металл-диэлектрик-полупроводник

  • Характеристики и параметры МДП- структур в сильных электрических полях.
  • Процессы деградации МДП-систем в сильных электрически полях.
  • Моделирование зарядовой нестабильности в условиях сильнополевой туннельной инжекции и инжекционная модификация МПД- структур.
  • МДП-технология и основные направления развития наноэлектроники.
  • Полупроводниковые и диэлектрические соединения.

Приборы и технология на основе непланарного кремния

  • Поверхностные явления в современных силовых полупроводниковых прибоах с p-n-переходами плоской структуры.
  • Конструктивно-технологические особенности плоских планарно-эпитаксиальных структур с барьером Шоттки.
  • Конструктивно-технологические способы подавления краевого эффекта в полупроводниковых структурах с барьером Шоттки.
  • Поверхностные явления в полупроводниковых структурах с замкнутой цилиндрической поверхностью второго порядка.
  • Технологические проблемы производства непланарных полупроводниковых приборов.

Композиционные материалы

Основные определения и классификация композиционных материалов

  • Материал матрицы и армирующих компонентов.
  • Структура: геометрия(морфология) и расположение компонентов структурных составляющих.
  • Методы получения композиционных материалов.
  • Области применения.

Металлические композиционные материалы

  • Композиционные материалы с алюминиевой матрицей.
  • КМ с магниевой матрицей.
  • КМ с титановой матрицей.
  • КМ на основе несмешивающихся металлических компонентов. Системы на основе меди.
  • Слоистые композиционные материалы.
  • Разработка термически стабильных композитов на основе тугоплавких металлов.
  • Направленно закристаллизованные эвтектические сплавы.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ)

  • Армирующие каркасы.
  • Матрицы УУКМ.

Керамические композиционные материалы.

Керамико-металлические композиционные материалы – керметы.

Тансформационно-упрочненные керамические материалы.

Порошковые материалы и изделия на основе железа

Производство железных порошков.

Порошковые стали.

Тенденции при производстве порошковых деталей.

Металлы и сплавы со специальными свойствами

Жаропрочные сплавы

Суперсплавы и интерметаллиды

  • Суперсплавы. Области применения и условия службы.
  • Основные системы суперсплавов и природа их упрочнения.
  • Никелеевые сплавы.
  • Железноникелевые сплавы.
  • Кобальтовые сплавы.
  • Современные продвинутые никелевые сплавы для лопаток ГТД и ГТУ
  • Монокристаллические (МК) сплавы.
  • Направленные эвтектики (эвтектические композиты) НЭ.
  • Проницаемые жаропрочные материалы.
  • Коррозионностойкие сплавы.
  • Современные продвинутые дисковые никелевые сплавы.
  • Интерметаллиды (алюминиды) титана и железа.
  • Интерметаллиды титана.
  • Интерметаллиды железа.

Жаропрочные и высокопрочные литейные алюминиевые сплавы.

Конструкционные стали и сплавы повышенной надежности

Высокопрочная сталь

  • Высокопрочные материалы.
  • Характеристики прочности и пластичности.
  • Теоретическая прочность.
  • Вязкость разрушения.
  • Ударная вязкость.
  • Комплекс требований.
  • Микроструктура.
  • Субструктурное упрочнение.
  • Упрочнение частицами.
  • Мартенситные стали.
  • Разрушение мартенсита.
  • Зернограничное разрушение.
  • Выплавка.
  • Остаточный аустенит.

Коррозионностойкие стали и сплавы

  • Хромистые стали ферритного класса.
  • Хромникельмолибденовые стали.
  • Хромомарганцевые и хромникельмарганцевые стали.
  • Стали аустенито-ферритного класса.
  • Железноникелевые сплавы.
  • Сплавы на основе никеля.

Сплавы специального назначения

Сплавы с памятью формы

  • Эффекты памяти формы и свехрупругости.
  • Классификация эффектов памяти формы (ЭПФ).
  • Функциональные свойства сплавов с памятью формы.
  • Управление структурой и свойствами нитинола методами термической и термомеханической обработки.
  • Интенсивная пластическая деформация как перспективный метод управления свойствами нитинола.
  • Применение сплавов с памятью формы на основе никелида титана в медицинской практике.

Свехпластичность материалов

  • Феноменология сверхпластической деформации.
  • Сверхпластическое состояние материалов: признаки и условия существования сверхпластичности.
  • Структурная сверхпластичность (ССП).
  • Сверхпластичностьфазовых превращений (ФПСП).
  • Реология сверхпластичных материалов.
  • Высокоскоростная сверхпластичность (ВССП).
  • Структурная сверхпластичность керамических материалов.
  • Сверхпластичность аморфных сплавов (металлических стекол).

Сверхтвердые материалы

Современный уровень исследований и производства сверхтвердых материалов

  • Система никель-хром.
  • Система никель-хром-угрерод.
  • Система никель-хром-титан.
  • Система никель-хром-тантал.

Синтез высокопрочных поликристаллов из графита с использованием сложнолегированных катализаторов

Высокопрочные алмазные поликристаллы для изготовления инструмента

  • Использование алмазов в наукоемких технологиях.
  • Оптимизация состава материала контейнера для длительного выращивания монокристаллов алмаза на затравке методом температурного градиента.
  • Разработка композиционных запирающих прокладок аппаратов высокого давления для проведения длительных выдержек.
  • Исследование газовыделения из графита марки МГ – ОСЧ, используемого в качестве источника углерода при выращивании монокристаллов алмаза на затравке.
  • Кинетика газовыделения из графита при последовательных изотермических отжигах.

Выращивание крупных монокристаллов алмаза

Функциональные покрытия

Многокомпонентные наноструктурные пленки

  • Трибологические покрытия.
  • Самосмазывающиеся покрытия.
  • Покрытия, обладающие жаро-, коррозионной стойкостью и стойкостью к высокотемпературному окислению
  • Покрытия для медицины.
  • Тепловповодящие покрытия.
  • Покрытия для микроэлектроники.
  • Многослойные покрытия в оптике.

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в инженерии поверхности

  • Наблюдение наночастиц с помощью ПЭМ ВР.
  • Исследование структуры границ раздела и дислокационной структуры в тонких пленках с помощью ПЭМ ВР.
  • ПЭМ ВР в поперечных срезах.

Магнитные и сверхпроводящие материалы

Новые магнитотвердые материалы

  • Основные характеристики магнитотвердых материалов.
  • Механизмы перемагничивания.
  • Классификация магнитотвердых материалов.
  • Магнитотвердые сплавы в системах Co-Pt и Fe-Pt.
  • Магнитотвердые материалы на основе соединений редкоземельных металлов и 3d-переходных металлов.
  • Пленочные постоянные магниты.

Новые магнитомягкие материалы

  • Основные характеристики магнитомягких материалов.
  • Прецизионные магнитомягкие сплавы.
  • Магнитомягкие железноникелевые сплавы.
  • Магнитомягкие сплавы на железокобальтовой основе.
  • Аморфные и нанокристаллические сплавы.
  • Аморфные сплавы на основе железа
  • Аморфные сплавы железноникелевой основе.
  • Аморфные сплавы на основе кобальта.
  • Нанокристаллические магнитомягкие материалы.

Материалы для магнитной записи

  • Основные характеристики материалов для магнитной записи.
  • Материалы для перпендикулярной магнитной записи.
  • Высокочувствительные головки на гигантском магниторезистивном эффекте (ГМР).

Ферриты

  • Магнитомягкие ферриты со структурой шпинели.
  • Ферриты с гексагональной кристаллической структурой (гексаферриты).
  • Ферриты со структурой граната.

Сверхпроводящие материалы

  • Сверхпроводимость: история и современность.
  • Коммерческие материалы и приборы на основе сверхпроводимости.
  • Сильноточные технологии.
  • Слаботочные технологии.

Перспективные полимерные материалы со специальными свойствами

Водорастворимые  полимеры и перспективы их использования

  • Специфика гомо- и сополимеризации водорастворимых мономеров.
  • Образование Н-комплексов мономеровю
  • Физико-химические свойства растворов водорастворимых полимеров.
  • Области применения водорастворимых полимеров.

Фотоактивные гетероциклические олигомеры  (полимеры)

  • Термостойкие фотополимеризующиеся композиции для сухих пленочных фоторезистров.
  • Фоточуствительные композиции для электроизоляционных лаковых покрытий.
  • Создание эластомерных композиций для экологически безопасных шин.
  • Создание эластичных материалов, экранирующих высокочастотное электромагнитное излучение за счет использования в качестве наполнителя металлсодержащего графита.

Наполненные эластомерные композиционные материалы со специальными свойствами.

Новые изделия текстильной промышленности

Состояние и проблемы развития текстильной и легкой промышленности.

Ассортимент текстильных материалов. Конкурентноспособные материалы потребительского спроса.

  • Понятия, определения и классификационные признаки текстильных материалов.
  • Ассортимент текстильных изделий. Новые изделия потребительского спроса.
  • Оценка конкурентоспособности текстильных изделий потребительского спроса.

Новые текстильные материалы специального назначения.

  • О новых изделиях из льна в производственно-технических и медицинских целях.
  • Химические волокна в медицине.
  • Текстильные изделия в природопользовании и жизнеобеспечении.
  • Использование текстиля в строительстве и других отраслях промышленности.

Научный редактор Карабасов Ю.С.
Издательство: «МИСИС»
Издано: Москва, 2002год
Скачать: DJVU

Перейти на главную страницу раздела Электронная библиотека

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

mplast.by

Научные центры

Ключевая информация о центре

Научно-учебный центр СВС МИСиС-ИСМАН (НУЦ СВС) был создан совместным приказом-постановлением Гособразования СССР и Президиума АН СССР № 744/119 от 21.09.1989, как первый в стране совместный научно-образовательный центр, объединяющий усилия и ресурсы высшего учебного заведения и академического института в проведении фундаментальных исследований, разработке и внедрении достижений на предприятиях, подготовке и переподготовке специалистов по различным аспектам научной проблематики. НУЦ СВС существует в качестве структурного подразделения НИТУ «МИСиС», объединяя ведущих специалистов НИТУ «МИСиС» и ИСМАН в области химической физики, физики горения и взрыва, структурной макрокинетики, физического материаловедения, порошковой металлургии, обработки металлов давлением, теории металлургических процессов.

Деятельность центра

НУЦ СВС является признанным в мире мультидисциплинарным научно-образовательным центром по разработке новых материалов (керамика, металлокерамика, интерметаллиды, композиционные и функционально-градиентные материалы, многокомпонентные и многослойные наноструктурированные пленки, твердые трибологические покрытия, коррозионно- и жаростойкие покрытия, многофункциональные биоактивные наноструктурные пленки, самосмазывающиеся покрытия, дисперсно-упрочненные наночастицами материалы и покрытия), технологий получения (СВС, порошковая металлургия, магнетронное напыление при ассистировании ионной имплантацией, электроискровое легирование, термореакционное электроискровое упрочнение), методик выполнения измерения механических и трибологических свойств наноструктурных пленок и покрытий, в том числе создания государственных стандартных образцов и их метрологического сопровождения.

Научно-исследовательская деятельность НУЦ СВС направлена на решение фундаментальных проблем горения и структурной макрокинетики процессов синтеза новых материалов (керамика, металлокерамика, интерметаллиды, композиционные и функционально-градиентные материалы, дисперсно-упрочненные наночастицами материалы), фундаментальных проблем инженерии поверхности многокомпонентных и многослойных наноструктурных пленок и функциональных покрытий (твердые трибологические, самосмазывающиеся, коррозионностойкие, жаростойкие, биосовместимые и биоактивные с антибактериальным эффектом покрытия), создание технологий получения материалов и покрытий (методами СВС, порошковой металлургии, ионно-плазменного напыления при ассистировании ионной имплантацией, электроискрового легирования, термореакционного электроискрового упрочнения и др.), а также создание методик выполнения измерения механических и трибологических свойств наноструктурных пленок и покрытий, в том числе создания государственных стандартных образцов и их метрологического сопровождения.

Основные научные направления деятельности НУЦ СВС:

  • Физикохимия процессов горения, теория СВС; структурная макрокинетика, механизмы формирования структуры продуктов химических реакций в волне горения различных СВС- систем;
  • Механическое активирование смесей — как эффективный способ управления структурой порошковых материалов, кинетикой процессов горения и свойствами продуктов синтеза;
  • Разработка и синтез функциональных наномодифицированных металломатричных композиций для производства инструмента из сверхтвердых материалов, изделий специального назначения, порошков для аддитивных 3D- технологий; новых классов конструкционных и инструментальных керамических и металлокерамических материалов, в том катодов-мишеней для ионно-плазменного и ионно-лучевого распыления, электродов для электроискрового легирования и термореакционного электроискрового упрочнения;
  • Физикохимия ионно-плазменных и ионно-лучевых процессов, ионная имплантация; кинетика и механизм формирования наноструктурных тонких пленок и функциональных покрытий (сверхтвердых, жаростойких, коррозионностойких, биосовместимых и биоактивных с антибактериальным эффектом), полученных с использованием композиционных СВС- мишеней и электродов;
  • Создание метрологического комплекса и нормативно-методической базы для обеспечения единства измерений механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей и продукции наноиндустрии;

misis.ru

Нанокомпозитные материалы - Материалы - Каталог статей

Нанокомпозитные материалы, представляют собой гетерогенные структуры, т.е. неоднородная система, из нескольких фаз разделенных между собой, содержащие хотя бы одну фазу с размером элемента менее 100 нм. В основе данных структур лежат объединения разных компонентов в одном материале, причем их свойства, так же объединяются и взаимно дополняют друг друга. В настоящее время получены десятки нанокомпозитов с высокими физико-механическими свойствами. Классификация нанокомпозитов по геометрическим размерам матрицы и частиц дргугих фаз впервые была предложена К. Нишихара [2]. В настоящее время большинство нанокомпозитов, являются микро-нанокомпозитами. Существующее множество подобных материалов не позволяет рассмотреть в рамках данной статьи все имеющиеся виды. Поэтому здесь будут рассмотрены несколько типов, таких как полимерные, так же наноструктурированные пленки и покрытия.

Нанополимерные композиты. Наибольшие успехи в получении нанокомпозитов были достигнуты при применении золь-гель технологии, т.е. с определенными химическими и физико-механическими свойствами. В качестве органического компонента используют соединения, такие как: полистирол, полиимид, полиамид, полибутадиен и полиметилметакрилат. В зависимости от условий реакции и содержания компонентов получают материалы с разной надмолекулярной организацией.Нанокомпозиты на основе керамики и полимеров сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатывемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря этому улучшаются многие свойства материалов по сравнению с исходными.Одной из важнейших областей применения наноматериалов, в частности Ti (титана), является использование их в медицинских целях — как имплантов и протезов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурированные пленки углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовметимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов имплантов. Кроме того, перспективными материалами в качестве имплантов, работающих под нагрузкой, являются многокомпонентные наноструктурные покрытия в системе Ti- (Ca,Zr) — (C,O,N), которые сочетают высокие механические и трибологические свойства с биосовметимостью и отсутствием токсичности [4].Большое применение в промышленности нашли полупроводниковые полимерные материалы, а так же материалы созданные на основе пористой полимерной матрицы с вкрапленными наночастицами металлов. Одним из способов получения таких материалов, является высокоскоростное термическое разложение прекурсоров (одно из исходных веществ, с помощью которых получают готовый материал) в растворе расплава полимеров. В расплаве сохраняется порядок структуры исходного полимера, а имеющиеся в нем пустоты становятся доступными для локализации образующихся частиц.Одним из способов получения нанокомпозитов, является восстановление ионов металлов внанопорах полимеров, как в нанореакторах, например, в ионообменных смолах. В них поры выполняют функции транспортных артерий для проникновения наноразмерных частиц или их прекурсоров в приповерхностный слой полимера. При этом поры могут иметь размеры от  1 нм до 6,5 мкм, а так же могут быть замкнутые или сквозные.

Наноструктурированные пленки и покрытия. Одним из важнейших направлений развития нанокомпозитов является получение и исследование многослойных пленок и покрытий, периодической структуры нано уровня. Получение таких веществ возможно за счет периодического нанесения индивидуальных тонких слоев нескольких материалов (обычно тугоплавких соединений, нитриды, оксиды, карбиды и пр.). При этом структуре наноматериала увеличивается доля межфазных поверхностей относительно общего объема границ раздела. Вследствие этого материал приобретает новые свойства, такие как препятствие, распространению дислокаций и трещин, увеличение твердости. Подобные материалы имеют двухмерную наноструктуру (нано-микро), т.е. толщины слоев находятся на нано уровне, а общая толщина может достигать сотен микрометров.Большая часть работ в области многослойных тугоплавких наноструктурированных покрытий и пленок посвящена исследованию структуры, повышению твердости, а так же увеличению эффективности нанесения. Как уже говорилось выше, для создания твердых тугоплавких композитов необходимо обеспечить точное расположение слоев, их очередность и толщину, а так же ориентацию относительно подложки (параллельно, вертикально, под углом и пр.). Для обеспечения этого требования используются современные и точные методы, в частности вакуумно-дуговое распыление с фильтрацией частиц, а так же магнетронное распыление в среде химически активного газа (реактивного газа), например, азота, кислорода или метана.

Подробнее остановлюсь на магнетронном распылении в среде реактивного газа, т.к. сам занимаюсь исследованиями в данной области. На данном рисунке приведена простейшая схема планарного магнетрона на постоянных магнитах и фотография распыления материала мишени, с помощью круглого магнетрона на подложку в вакуумной камере.Принцип действия магнетронной распылительной системы состоит в следующем. Вся система, которая состоит из подложки и магнетрона или их комбинаций в большем количестве, находится вакуумной камере. Вакуум необходим для создания низкотемпературной плазмы, которая подобна, тлеющему разряду в лампах дневного света. Магнетрон состоит из корпуса, в котором размещены либо электропроводящая обмотка (катушка), либо система из постоянных магнитов. Все это необходимо для создания магнитного поля над поверхностью мишени. Мишень представляет пластину или полый цилиндр из материала, который необходим для создания покрытия. Например, чтобы создать покрытие TiN/AlN, фотография которого озаглавила эту статью, необходимо два магнетрона с мишенями из чистого алюминия (Al) и чистого титана (Ti). Далее, для того чтобы распылить вещество с мишени необходимо подключить ток к магнетрону и подложке. Очень часто магнетрон выступает в роли катода (отрицательный потенциал), а подложка в виде анода (положительный потенциал). Далее, в вакуумную камеру, при низком давлении менее 1 Па, обычно 0,2 Па, подается плазмообразующий газ аргон (Ar). В результате действия магнитного и электрического полей с мишени, под воздействием ионов аргона начинают выбиваться ионы металла и под действие электрического поля они стремятся к подложке. На пути ионов к подложке встречаются ионы реактивного газа (для покрытия TiN/AlN — азот N2), который подается в камеру при неизменном давлении 0,2 Па. Взаимодействуя с ним ионы металла, образуют соединение (для покрытия TiN/AlN — нитрид титана и нитрид алюминия), в дальнейшем эти соединения осаждаются на подложке.На видео, показан интерактивный ролик магнетронного распыления в среде реактивного газа, который иллюстрирует весь процесс от загрузки обрабатываемого изделия, до осаждения покрытия заданной толщины (на видео магнетроны несколько отличаются от рисунка выше, т. к. приведены не плоские, а цилиндрические мишени).

1. Главное фото — Научно-образовательный центр МГТУ им. Н. Э. Баумана

2. Азаренков Н.А. Наноматериалы, нанокомпозиты, нанотехнологии: Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Л.В. Маликов, П.В. Турбин — Х.: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2009. — 209с.

3. Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технология получения / — Москва: Международный университет природы, общества и человека «Дубна» Филиал «Угреша». 2007. — 125с.

4. Штанский Д.В. Адгезионные, фрикционные и деформационные характеристики покрытий Ti- (Ca,Zr) — (C,N,O,P) для ортопедических и зубных импланто // Д.В. Штанский, М.И. Петржик, И.А, Башкова, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, А.Н. Шевейко, Е.А. Левашов. Физика твердого тела. – 2006. – Т. 48, вып.7. –С. 1231—1237.

 

lib-bkm.ru

Ионно-плазменное нанесение наноструктурированных многокомпонентных покрытий на термолабильные материалы

Ñîäåðæàíèå. Предисловие 11. Введение 12

Ñîäåðæàíèå Предисловие 11 Введение 12 Глава 1. Пробои на катоде магнетрона 16 1.1. Что такое пробой 16 1.2. Механизм возникновения пробоев на катоде 17 1.3. Причины пробоев на катоде при реактивном магнетронном

Подробнее

Вестник науки Сибири (1)

Рябчиков Александр Ильич, д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. лаб. 22 Физикотехнического E-mail: [email protected] физика плазмы, физика твердого тела, физика пучков заряженных части и укорительная техника.

Подробнее

Соглашение от на период гг.

Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 2020 годы» Соглашение 14.579.21.0004 от 05.06.2014 на период

Подробнее

ГОРЕНИЕ И ПЛАЗМОХИМИЯ, 2014, том 12, 3, с ИОННОЕ - И ИОННО-ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ В ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА

УДК: 539.141;537.868.531, 2014, том 12, 3, с. 189-193 ИОННОЕ - И ИОННО-ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ В ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА Амиров И.И., Изюмов М.О., Наумов В.В. Ярославский Филиал

Подробнее

Секция: физика Университетский Лицей 1511 предуниверситария НИЯУ МИФИ 115522, г. Москва Пролетарский проспект д. 6, корп. 3 тел: (495) 788-56-99, e-mail: [email protected] Осаждение пористых кремниевых

Подробнее

ОБОРУДОВАНИЕ, ВЫПУСКАЕМОЕ ВИАМ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБОРУДОВАНИЕ, ВЫПУСКАЕМОЕ ВИАМ ВИАМ предлагает изготовление и поставку оборудования

Подробнее

Требования к уровню освоения учебного курса

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Ректор МФТИ УТВЕРЖДАЮ Н.Н. Кудрявцев Программа краткосрочного

Подробнее

06.2;12.

26 июня 06.2;12 Пассивация кремния двухслойными диэлектрическими пленками из оксида иттербия и оксида диспрозия М.А. Родионов, В.А. Рожков, А.В. Пашин Самарский государственный университет Самарская архитектурно-строительная

Подробнее

В. М. МЕДУНЕЦКИЙ, А. А. ШМИДБЕРСКАЯ

65 УДК.621.384 В. М. МЕДУНЕЦКИЙ, А. А. ШМИДБЕРСКАЯ ФОРМИРОВАНИЕ РЕГУЛЯРНЫХ МИКРОРЕЛЬЕФОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ОСТРОСФОКУСИРОВАННЫМ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ Рассмотрен процесс формирования профиля канавки

Подробнее

Программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" Институт

Подробнее

Борисов Дмитрий Петрович

На правах рукописи Борисов Дмитрий Петрович ГЕНЕРАЦИЯ ОДНОРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ В НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 01.04.04 Физическая электроника

Подробнее

Понятие нанотехнологий

Понятие нанотехнологий Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет. С. Лем Первое упоминание

Подробнее

«Сканирующая зондовая микроскопия»

Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению «Методы диагностики и исследования наноструктур» на базе учебного курса «Сканирующая зондовая

Подробнее

«Фундаментальные основы нанотехнологий»

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Научно-образовательный центр по нанотехнологиям межфакультетский курс лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» Лекция 2: Методы исследования

Подробнее

1. Цели освоения дисциплины

1. Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины является изучение физических явлений, происходящих на различных этапах процесса напыления и роста пленок; существующих теорий роста тонких пленок,

Подробнее

«Фундаментальные основы нанотехнологий»

Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова Научно-Образовательный Центр по нанотехнологиям Межфакультетский курс лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» Лекция 3. Методы исследования

Подробнее

МДО. Нанощит для металлов

МДО Нанощит для металлов Содержание - О Компании.3 - Технология МДО «МАНЭЛ»... 4 - Инновации ЗАО «МАНЭЛ».5 - Структура получаемого покрытия.6 - Свойства покрытий МДО «МАНЭЛ»...7-8 - МДО «МАНЭЛ» и анодирование..9

Подробнее

Физика конденсированного состояния

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Физический факультет УТВЕРЖДАЮ Проректор по развитию образования Е.В.Сапир " " 2012 г. Рабочая

Подробнее

Далянь Вакуум Текнолоджис О КОМПАНИИ

Инновационные технологии покрытий Вакуум Текнолоджис 2 Вакуум Текнолоджис 大连维钛克科技股份有限公司 О КОМПАНИИ Вакуум DALIAN VACUUMТекнолоджис TECHNOLOGIES INC. Компания Вакуум Текнолоджис Inc. была реорганизована

Подробнее

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

НАНОМАТЕРИАЛЫ Ю.Панфилов ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ (аналитический обзор) В сентябре 2007 года МГТУ им. Н.Э. Баумана и ОАО ЦНИТИ "Техномаш" провели XIII Международную

Подробнее

ОБЗОРНАЯ ПРЕЗЕНТАЦИЯ КОМПАНИИ

ОБЗОРНАЯ ПРЕЗЕНТАЦИЯ КОМПАНИИ 2016 2 СФЕРЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ООО «РУ-ВЭМ» Вакуумная техника и технологии Энергосбережение на основе частотно-регулируемых электроприводов - Проектирование - Производство - Обслуживание

Подробнее

РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

ООО Прикладная Электроника РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ИОННЫЙ ИСТОЧНИК С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ APEL-IS-7CELL ТОМСК 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ...3 2. НАЗНАЧЕНИЕ...3 3. СОСТАВ ИИ...3 4. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Подробнее

Оптическая и электронная литография

Оптическая и электронная литография Фоторезисты. Дозы экспонирования. Прямые и обратные процессы. Процесс Lift-off. Электронные резисты. Двухслойные резисты. Голикова Татьяна ИФТТ РАН, Черноголовка Лаборатория

Подробнее

Рисунки к автоэмиссии.

Рисунки к автоэмиссии. Функции Нордгейма... 2 Электронный полевой микроскоп-проектор... 3 Ионный полевой микроскоп-проектор... 4 Оптический томографический атомный зонд... 5 Вольфрамовые одиночные острия...

Подробнее

docplayer.ru


sitytreid | Все права защищены © 2018 | Карта сайта