Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время одним из приоритетных направлений является создание новых оптических материалов на основе полимеров и наночастиц металлов для оптики и оптоэлектроники. Предлагаемые материалы относятся к классу нанокомпозитов, характеризующихся расширенным диапазоном оптических и физико-химических свойств. Введение в полимерную матрицу частиц металла нанометрового размера позволяет создавать материалы с новыми сенсорными, оптическими, электрофизическими и каталитическими свойствами, что является приоритетной задачей оптоэлектроники. Новые свойства в нанокомпозитах определяются в значительной степени размерным фактором частиц. При размерах частиц металла до 10 нм в металлах вследствие квантования появляются новые оптические и электрофизические свойства. Введение наночастиц металла размером до 10 нм в полимерную матрицу позволяет создавать оптические покрытия с новыми свойствами, обусловленными электродинамическим взаимодействием квантовых точек металла друг с другом и с полимерной матрицей.
Технология газофазного криохимического синтеза (ГКС) является наиболее перспективной для создания металлополимерных нанокомпозитов с наноразмерным распределением частиц в полимерной матрице. Контролируемый ГКС позволяет создавать нанокомпозитные покрытия полимер-металл требуемой толщины с заданными параметрами микроструктуры и диапазоном изменения оптических и энергетических характеристик.
Металлополимерный нанокомпозит на основе полипараксилилена и наночастиц серебра (ППК-Ag) является перспективным материалом для создания изделий оптоэлектроники. Исследование микроструктуры нанокомпозита на основе ППК-Ag и влияния ее параметров на комплекс оптических и электрофизических свойств является актуальной задачей. Практическое применение таких материалов определяется их составом, структурой и новыми наноразмерными свойствами.
Целью работы является получение методом газофазного криохимического синтеза полимерного нанокомпозита на основе ППК-Ag с регулируемыми параметрами дисперсной микроструктуры, энергетической структуры и новым сочетанием оптических и электрофизических свойств для изделий оптоэлектроники.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- исследовать влияние технологических параметров ГКС на распределение наночастиц Аg в полимерной матрице и микроструктуру покрытий, формирующихся из ППК-Аg;
- разработать программу комплексного исследования и изучить микроструктуру покрытий из нанокомпозитов ППК-Ag с помощью оптических методов и зондовой микроскопии;
- провести исследование энергетической структуры ППК-Ag и установить основные зависимости оптических и энергетических характеристик нанокомпозита ППК-Ag от основных и обобщенных параметров дисперсно-наполненной микроструктуры;
- исследовать влияние наночастиц серебра на физико-механические свойства поверхности покрытий из нанокомпозита ППК-Ag;
- изучить оптические свойства нанокомпозитов ППК-Ag, установить диапазон изменения его оптических характеристик и провести расчеты по созданию интерференционных фильтров с новыми характеристиками для оптоэлектроники.
Научная новизна заключается в комплексном исследовании технологии, структурных, энергетических и оптических свойств нанокомпозитов на основе ППК-Ag на разных размерных и энергетических уровнях и установлении фундаментальных зависимостей состав – структура – свойство для создания материалов оптоэлектроники.
- установлены оптимальные технологические параметры ГКС (температура и скорость испарения, температура и время полимеризации) формирования стабильных наноструктур в покрытиях на основе ППК-Ag с разным содержанием наночастиц серебра;
- доказано, что наночастицы Ag в процессе ГКС (полимеризации) вытесняются в межглобулярный объем полимерной матрицы и образуют области с повышенной концентрацией наночастиц, изолированных друг от друга полимерной оболочкой, о чем свидетельствует отсутствие металлической проводимости в системе ППК-Ag;
- показано, что при увеличении содержания наночастиц серебра от 1,4 об. % размером ~ 1-2нм до 7 об. % в нанокомпозите происходит переход их распределения от узкого мономодального к широкому бимодальному, что связано с образованием агломератов из наночастиц размером ~ 6-12 нм в объеме полимерной матрицы и перестройкой микроструктуры нанокомпозита ППК-Ag;
- установлено, что излучательные и оптические свойства системы ППК-Ag при увеличении содержания наночастиц изменяются и на концентрационной зависимости интегральной интенсивности катодолюминесценции, величины запрещенной зоны, интегральной плотности состояний наблюдается максимум при содержании 6,3 об. % Ag, что связано с переходом распределения наночастиц Ag от мономодального к бимодальному и наличием в материале наночастиц разных размеров, различающихся энергетическими характеристиками и наличием межглобулярных областей с повышенным содержанием наночастиц Ag;
- впервые получены дисперсионные зависимости действительной (n) и мнимой (k) частей коэффициента преломления для ППК-Ag с содержанием наночастиц серебра 3,5 – 10,5об. % в диапазоне длин волн 350 -2000 нм и показано, что диапазон изменения n и k существенно расширяется и составляет – 1,4 – 2,4 и 0,24 – 0,6 соответственно.
Практическая значимость работы заключается в
- разработке комплексного подхода к исследованию с помощью современных инструментальных методов параметров микроструктуры, энергетических, оптических и электрофизических свойств наноматериалов на основе ППК-Ag;
- получении по технологии ГКС нанокомпозитов на основе ППК-Ag со стабильной структурой и воспроизводимыми свойствами для оптоэлектроники;
- оптимизации составов и микроструктуры наноматериалов на основе ППК-Ag для получения материалов оптоэлектроники с регулируемыми энергетическими, оптическими и электрофизическими характеристиками;
- в определении на основе анализа температурных зависимостей удельного объемного электрического сопротивления энергетической природы полимера и нанокомпозитов ППК-Ag, которые можно рассматривать как широкозонные полупроводниковые материалы;
- в разработке специальной программы для расчета оптических характеристик - дисперсионных зависимостей действительной (n) и мнимой (k) частей коэффициента преломления нанокомпозитов ППК-Ag по данным спектров отражения и пропускания;
- в проведении расчетов моделей интерференционных отрезающих фильтров на основе нанокомпозитов ППК-Ag для различных диапазонов длин волн (350-2000нм, 350-800нм 350-1300нм) с резкой границей отрезания и пропусканием 70 - 90%, с простой архитектурой, по ряду своих характеристик превосходящих зарубежные аналоги фильтров.
Апробация работы
Участие в конференциях: конференции молодых ученых «Ломоносов – 2010, 2011, 2012», МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва; Международной конференции молодых ученых и специалистов SPO – 2011, Киев; ежегодной конференции ИТПЭ РАН - 2010, 2011, 2012, Москва; Международной конференции ICMAT-2011, Сингапур; Международной конференции «Наукоемкие химические технологии – 2012», Тула.
Публикации
По теме работы опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК и 12 тезисов докладов.
Личный вклад автора
Представленные в диссертации результаты получены лично автором в процессе проведения экспериментов по технологии получения покрытий из нанокомпозитов ППК-Ag, изучению микроструктуры, оптических, энергетических и электрофизических характеристик, выполненных расчетов, обобщений и анализа всего массива экспериментальных данных, а также формулировании выводов и рекомендаций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, литературного обзора и постановки задач исследования; трех глав, содержащих оригинальные результаты; выводов; списка цитируемой литературы и приложения, содержащего акт о внедрении оригинальных результатов диссертационной работы, содержит 119 страниц машинописного текста, включает 60 рисунков, 7 таблиц и 104 наименования литературы.
