Разработка и исследование технологических основ создания пленок полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами для устройств микроэлектронной сенсорики Сюрик, Юлия Витальевна

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Сюрик, Юлия Витальевна. Разработка и исследование технологических основ создания пленок полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами для устройств микроэлектронной сенсорики : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.01 / Сюрик Юлия Витальевна; [Место защиты: Технол. ин-т Южного федер. ун-та].- Таганрог, 2012.- 178 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/2929

Введение к работе

Актуальность диссертационной работы

Задачи совершенствования систем мониторинга окружающей среды требуют создания надежных, высокочувствительных и долговечных газо- и термо-аналитических средств с использованием современных технологий и материалов. Полимерные нанокомпозиты с углеродными наноструктурами применяются при производстве микро- и наноэлектронных приборов, космической и авиационной техники, транспортных средств, устройств биомедицины. Перспективными углеродными наноструктурами для полимерных нанокомпозитов являются углеродные нанотрубки (УНТ) и графен. Графен имеет свойства, сравнимые с УНТ, при этом транспорт носителей заряда в графене менее чувствителен к дефектам при меньшей себестоимости.

Электропроводность полимерных нанокомпозитов с углеродными структурами зависит от внешних факторов: температуры, механических деформаций, присутствия различных газов и жидкостей и т.д. Таким образом, полимерные нанокомпозиты с УНТ и графеном являются перспективными материалами для чувствительных элементов датчиков систем мониторинга окружающей среды. При этом характеристики полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами во многом определяются технологией производства нанокомпозитов. Однако технологии получения полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами с заданными параметрами недостаточно исследованы, что мешает внедрению их в массовое производство. Также недостаточно изучено влияние микро- и наноструктуры полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами на их электрофизические свойства. Таким образом, разработка технологии изготовления пленок полимерных нанокомпозитов с контролируемыми, воспроизводимыми свойствами для чувствительных элементов сенсоров является актуальной задачей.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ создания пленок полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами для чувствительных элементов датчиков газа, температуры и давления.

Для достижения целей диссертационной работы должны быть решены следующие задачи:

Обобщение и выявление основных требований к методам получения и свойствам пленок полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами для применения в чувствительных элементах датчиков.
Разработка математических моделей концентрационной и температурной зависимостей электропроводности полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами.
Экспериментальные исследования закономерностей влияния технологических режимов на микроструктуру и свойства полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами, изготовленных по латексной технологии и технологии прямого смешивания.
Разработка методик пробоподготовки и определение требований к режимам исследования микроструктуры полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами методами РЭМ, ПЭМ и АСМ в режиме сопротивления растекания.
Разработка методик определения параметров и констант для моделирования электрофизических свойств углеродных наноструктур по результатам их экспериментальных исследований методом АСМ.
Разработка конструкций и технологических маршрутов изготовления чувствительных элементов датчиков газа, температуры и давления на основе

пленок полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами с
использованием многофункционального сверхвысоковакуумного

наноте хно логического комплекса НАНОФАБ НТК-9. Методы исследования

Исследования морфологии и электропроводности методом АСМ - зондовая НаноЛаборатория Ntegra Vita, томограф Ntegra-Tomo (НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ)
Исследования морфологии методом РЭМ и подготовка образцов для ПЭМ -микроскопы FEI Nova Nanolab 600 (НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ), FEI Nova Nanolab 200 (Университет г. Глазго)
Измерения электропроводности -Keithley 2602, Ecopia HMS 3000 и мультиметр APPA-63N (НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ)
Исследования морфологии методом ПЭМ - просвечивающие микроскопы Tecnai TF20, Т20 (Университет г. Глазго)

Научная новизна работы

Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель, объясняющая зависимость электропроводности полимерных нанокомпозитов от концентрации углеродных наноструктур, учитывающая плотности полимерной матрицы и углеродных наноструктур, коэффициент пористости и коэффициент цепочки.
Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель, объясняющая температурные зависимости электропроводности полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами на основе механизма флуктуационно-индуцированного туннелирования носителей заряда.
Определены численные значения констант статистической модели перколяции для полимерных нанокомпозитов Графен/Полистирол, Графен/Полипропилен, УНТ/Полиимид, подтверждающие формирование трехмерных сетей углеродных наноструктур в матрицах полистирола и полиимида и двумерной - в матрице полипропилена.

Практическая значимость

Экспериментально определены зависимости порога перколяции полимерного нанокомпозита Графен/Полистирол от длительности и температуры обработки. Определены технологические режимы получения полимерных нанокомпозитов Графен/Полистирол, Графен/Полипропилен с порогами перколяции 0,9 и 0,4 масс.% соответственно.
Разработана методика исследования морфологии полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами методом РЭМ зарядового контраста. Установлены режимы исследования (ускоряющее напряжение 20 кВ, ток 0,13-Ю,36 нА, время воздействия в точке 20^-40 мкс), которые позволяют характеризовать особенности морфологии полимерных нанокомпозитов Графен/Полистирол, Графен/Полипропилен размером порядка 15-К25нм.
Разработан технологический маршрут изготовления чувствительных элементов газового датчика на основе полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами. Показано, что датчики на основе полимерного нанокомпозита Графен/Полистирол с 6,4 масс.% графена при концентрациях газов (70 и 5000) ррт имеют коэффициенты чувствительности (0,26 и 0,99) к N0₂ и (0,04 и 0,66) kNH₃, соответственно.
Разработан технологический маршрут изготовления чувствительных элементов датчика температуры на основе полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами с использованием нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9. Показано, что в диапазоне концентраций наполнителя 0,32-К>,4 масс.% ТКС полимерного нанокомпозита Графен/Полистирол изменяется в диапазоне -1,7-10" К"¹ + -1,1-10"² К"¹, при

этом ТКС Графен/Полистирол в диапазоне 6,4^-9,6 масс.% графена не изменяется. Установлена возможность изменения знака ТКС нанокомпозита УНТ/Полиимид в зависимости от концентрации нанотрубок (-1,2-10~² К"¹ и 5,0-10~³ К"¹ для нанокомпозита с 1 и 7 масс.% УНТ соответственно).

5. Разработана конструкция и технологический маршрут изготовления датчика давления с чувствительной мембраной из полимерного нанокомпозита с углеродными нанотрубками на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9, который позволяет, согласно оценкам, детектировать давление в диапазоне 10~⁴-Ю,85 ГПа.

Положения, выносимые на защиту

Математическая модель зависимости электропроводности полимерных нанокомпозитов от концентрации углеродных наноструктур, с учетом плотности полимерной матрицы и углеродных наноструктур, коэффициента пористости, позволяющая прогнозировать электропроводность нанокомпозита на основе экспериментально определяемого коэффициента цепочки.
Математическая модель температурной зависимости электропроводности полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами, с учетом механизма флуктуационно-индуцированного туннелирования носителей заряда, позволяющая прогнозировать температурные зависимости электропроводности полимерных нанокомпозитов с углеродными наноструктурами.
Закономерности влияния концентрации графена на морфологию и электропроводность полимерных нанокомпозитов Графен/Полистирол, Графен/Полипропилен, которые позволяют прогнозировать особенности трехмерной структуры полимерного нанокомпозита, в том числе анизотропию электропроводности.
Технологический маршрут изготовления чувствительного элемента газового датчика на основе полимерного нанокомпозита с графеном с коэффициентами чувствительности (0,26 и 0,99) к NO2 и (0,04 и 0,66) к NH₃, при концентрациях газов (70 и 5000) ррт соответственно.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2008-2011 гг.: «Разработка технологии и изготовление опытных образцов масок для глубокой рентгеновской литографии» (внутр. №13308), «Молекулярный дизайн и исследование фотоуправляемых бистабильных молекулярных систем для спинтроники, фотоники и хемосенсорики» (ГК №02.740.11.0456.), «Разработка и исследование технологии изготовления сенсорных элементов для систем мониторинга окружающей среды на основе пленок нанокомпозитных полимерных материалов с углеродными наноструктурами» (внутр. №13314), выполняемых в рамках Федеральной Целевой Программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Результаты диссертационной работы внедрены в Курчатовском центре синхротронного излучения и нанотехнологии РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва), на промышленном предприятии ЗАО «Нанотехнологии - МДТ» (г. Москва), НИИ «Физической и органической химии» ЮФУ (г. Ростов-на-Дону), НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ (г. Таганрог), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ТТИ ЮФУ (г.Таганрог). Имеются 5 актов о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и

семинарах, таких как: «Rusnanotech» (Moscow 2009, 2010); «Nanotech Europe 2009» (Берлин, Германия, 2009); «Физика и технология микро- и наносистем» (С.Петербург, 2011); Ежегодная научная конференция базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону 2007, 2009-2012); «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологии» (Ставрополь, 2009-2011); «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе» (Баку, Азербайджан, 2007); «Наноинженерия» (Казань, 2011); «НАНО 2009» (Екатеринбург, 2009); «Научно- технический прогресс и современная авиация» (Баку, Азербайджан, 2008); «Нанотехнологии-2010» (Геленджик, 2010); «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2006, 2008, 2010).

Работа отмечена дипломами и грамотами различных конкурсов: Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологии (Rusnanotech - 2009), Открытого конкурса Минобрнауки РФ на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным науках в ВУЗах РФ в 2007г, научных конференций базовых кафедр ЮНЦ РАН (2007-2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 39 печатных работ, из них 4 статьи, опубликованные в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получены патенты РФ №2400462, №2417891, №88187, №102813, зарегистрирована заявка на патент РФ №2011118647.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений.