CC BY
159
УДК 532.3., 530.182., 539.216.2.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИК МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДЛОЖЕК СЛОЯМИ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Евгений Владимирович Лаптев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, инженер кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
В статье представлены результаты лабораторных исследований технологических аспектов получения на подложках слоёв наночастиц и тонкоплёночных структур типа «наночастицы в полимерной матрице», обладающих нелинейно-оптическими свойствами. Получены образцы в виде суспензии из наночастиц никеля и серебра в полиимиде.
Ключевые слова: нанопорошок, наночастицы, полимерная матрица, суспензия.
LABORATORY TECHNIQUES MODIFEING SUBSTRATE SURFACE LAYERS METAL NANOPARTICLES
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., Senior Lecturer of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Evgeniy V. Laptev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., postgraduate student, engineer Department of Nanosystems and optical technic, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer Department of Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
The article presents the results of laboratory studies on the technological aspects for the substrates of layers of nanoparticles and thin film structures such as "nanoparticles in a polymer matrix", having nonlinear optical properties. Samples in the form of suspension from nanoparticles nickel and silver in polyimide are received.
Key words: nanopowder, nanoparticles, polymeric matrix, suspension.
Разработки методов получения структур с наночастицами различных материалов на изолирующих подложках и тонкоплёночных структур типа
«наночастицы в полимерной матрице» на подложках ведутся многими научными центрами, результаты исследований опубликованы в монографиях и учебных пособиях, например, [1,2,3,4]. Прикладная цель многих исследований - создание структур и оптических устройств на основе использования нелинейно-электрических и нелинейно-оптических свойств наночастиц на поверхности и в полимере.
В настоящей статье рассматриваются методы модифицирования поверхностей заранее приготовленными порошками наночастиц путём седиментационного осаждения из суспензий и путём нанесения слоёв наночастиц в полимерной матрице в виде плёнки на поверхности.
1. Осаждение частиц двуокиси кремния на поверхность плоской подложки
из суспензии методом седиментации
Лабораторное устройство для нанесения частиц методом седиментации показано на рис. 1.
Рис. 1. Лабораторное устройство для нанесения частиц методом седиментации:
1 - химический высокий стакан, 2 - суспензия частиц в жидкости,
3 - наночастицы двуокиси кремния, 4 - экспериментальный образец подложки, 5 - осевший на подложку и дно стакана слой наночастиц
В качестве исходного материала использовались наночастицы двуокиси кремния в спиртовом растворе с размерами частиц 255-315 нм.
Фотографии результатов осаждения наночастиц с различными объемными концентрациями суспензий представлены на рис. 2.
Суспензия частиц готовилась смешиванием необходимого объема наночастиц в спирте с дистиллированной водой. Объёмная концентрация частиц в суспензии рассчитывалась исходя из получения на подложке после
полного оседания частиц одного слоя частиц или заданного числа слоёв. После смешивания составных частей суспензии проводилась её обработка ультразвуком для обеспечения равномерного распределения наночастиц по объему.
Как видно из фотографий, распределение частиц на поверхности подложки при осаждении седиментацией очень неравномерное.
ïa*ït4kU 1.40е4 atai'm sfi kui
в г
Рис. 2. Фотографии слоя из наночастиц на поверхностях подложки,
полученного седиментацией:
а и б - средний размер отдельных кластеров из наночастиц двуокиси кремния (2-5) мкм; в - СЭМ снимок, цена деления шкалы 1 мкм;
г - СЭМ снимок, цена деления шкалы 10 мкм, средний размер наночастиц 300 нм. Плотность распределения наночастиц 20-109 частиц/м2
2. Осаждение полимерных плёнок с наночастицами карбида кремния
При осаждении частиц методом седиментации выявилась проблема возможности получения однослойного плотноупакованного покрытия. Частицы в слое располагаются неравномерно: имеются области практически без частиц и области с частицами, образующими холмики.
Исследовалась методика получения плотноупакованного однослойного покрытия с использованием метода флотации [5,6], при котором приготавливают плёнку твердеющего на поверхности жидкости лака, толщина слоя может быть до долей мкм. Для приготовления нитроцеллюлозы с включениями из наночастиц использовался нанопорошок карбида кремния с размерами наночастиц 50-60 нм, полученный в ООО Научно-производственная фирма «Нанопорошковые технологии», г. Новосибирск.
На рис. 3 показано устройство для получения слоя нитроцеллюлозы с включёнными в её состав наночастицами карбида кремния на поверхности подложки и микрофотография участка полимерной плёнки с наночастицами.
а б
Рис. 3. Получение слоёв наночастиц карбида кремния в полимерной матрице нитроцеллюлозы методом флотации:
а - лабораторное устройство (1 - экспериментальный образец подложки, 2 -нанесённый слой нитроцеллюлозы с включениями наночастиц, 3 -стеклянная кювета, 4 - дистиллированная вода); б - фотография слоя, увеличение 1200х
При получении суспензии в качестве рабочей жидкости использовался бутилацетат, как растворитель нитроцеллюлозы (коллоксилина). В качестве стабилизатора суспензии опробовалась добавка олеиновой кислоты. Полученные плёнки имели более высокую концентрацию наночастиц, но отмечается наличие кластеров из частиц.
3. Получение стабилизированных суспензий наночастиц никеля и серебра в полиимиде
Суспензия приготавливалась добавлением в полиимид порошка наночастиц никеля без применения ПАВ и дисперсантов, контроль производился по поглощению проходящего оптического излучения с применением фотометра ПЭ 5400ВИ. Так как наночастицы никеля в порошке
4
агломерированы, то для разделения наночастиц проводилась обработка суспензии ультразвуком с помощью ультразвуковой ванны «ГРАД 28-35» [7]. Перед измерениями суспензию разбавляли диметилформамидом в 20 раз по массе, обрабатывали ультразвуком и измеряли максимальное значение поглощения света на длине волны 450 нм при толщине слоя суспензии 10 мм; в течение 72 часов существенного осаждения наночастиц никеля не происходило. Гранулометрический состав суспензий определялся с помощью анализатора размеров частиц Photocor Compact [8].
Исследовано получение суспензий с наночастицами серебра двух типов по близкой к описанной выше методике.
На рис. 4 показаны гранулометрические профили суспензии наночастиц никеля и серебра в полиимиде. Наночастицы никеля имеют радиусы от 35 нм до 40 нм с максимумом распределения в области 37 нм; для наночастиц серебра в полиимиде в одном типе порошка радиусы частиц 10 - 15 нм, во втором - 22 - 30 нм.
Рис. 4. Гранулометрический профиль суспензии наночастиц никеля (а) и серебра (б, в) в полиимиде (по оси х указаны значения радиусов наночастиц в нм; по оси у - концентрация наночастиц в относительных единицах от 0 до
1)
При визуальном анализе полученных суспензий отмечено, что даже малые остаточные концентрации частиц больших размеров (по данным анализатора) вносят очень большой вклад в степень мутности суспензий, вероятно, в связи с большими значениями сечения экстинкции больших частиц.
Результатом исследования явилась разработка лабораторных методик получения суспензий наночастиц никеля, карбида кремния и серебра в растворах полимеров и методики модифицирования поверхности подложек наночастицами как непосредственно на поверхности диэлектрических подложек, так и в виде слоёв наночастиц в полимерной матрице. Распределение наночастиц в слоях характеризуется беспорядочным неравномерным их расположением.
В заключение выражаем благодарность сотрудникам ЗАО «Новосибирские наноматериалы», г. Бердск, за предоставление материалов и участие в исследованиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трусов Л.И., Холмянский В.А. Островковые металлические плёнки. - М.: Металлургия, 1973.
2. Гусев Ф.И. Наноструктуры, наноматериалы, технологии. - М.: Физматлит, 2005.
3. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006.
4. Каманина Н.В., Плеханов А.И. Механизмы ограничения оптического излучения фуллерено содержащих Пи-сопряженных органических структур на примере молекулы полиимида и COANP. // Оптика и спектроскопия. - 2002. - Т.93, вып. 3. - С. 444-453.
5. Эспе В. Технология электровакуумных материалов: вспомогательные материалы. В 3 т. Т. 3. - М.: Энергия, 1969.
6. Гугель Б. М. Люминофоры для электровакуумной промышленности. - М.: Энергия, 1967.
7. Характеристики ультразвуковой ванны «ГРАД 28-35» [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.protehnology.ru/ultrazvukovaya_vanna_grad_28-35
8. Описание анализатора размеров частиц «Photocor Compact» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.photocor.ru/particle-size-analyzer/
© Д. М. Никулин, Е. В. Лаптев, Д. В. Кочкарёв, 2014
