CC BY
233
ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ АТОМНО-СИЛОВЫМ МЕТОДОМ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИЙ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ И ДОБАВОК TlGaSe2
Г.А. Мамедов*, Э.М. Годжаев*, А.М. Магеррамов**, Ш.А. Зейналов*
* Азербайджанский технический университет, пр. Г. Джавида, 25, г. Баку, АЗ1000, Республика Азербайджан, geldar-04@ mail.rH Институт радиационных проблем НАН Азербайджана, ул. Ф. Агаева, 9, г. Баку, АЗ1143, Республика Азербайджан
Введение
В настоящее время бурно развивается направление, связанное с модифицированием электроактивных свойств полимеров путем введения разных наполнителей, создания полимерных смесей или же путем воздействия различных ионизирующих излучений [1-6].
Введение наполнителей неорганической природы в полимерную матрицу - универсальный способ модификаций полимеров. В этом аспекте для расширения области применения в полиэтилен высокой (ПЭВП) и низкой плотности (ПЭНП) впервые в качестве наполнителей вводили трехкомпонентные полупроводниковые соединения типа А1ШВ11ГХШ (где А1Ш-Т1, BIII-In, Ga, Х¥1-Se,Te) и твердые растворы на их основе [7-9]. Это вызвано тем, что данные фазы имеют своеобразную кристаллическую и зонную структуры, являются перспективными материалами в видимой и инфракрасной областях спектра, обладают рекордной тензочувствительностью и переключающими свойствами с памятью. Уникальные свойства тройных соединений типа
AIIIBIIICVI
л ° - это то, что под влиянием электромагнитных и акустических волн, в зависимости от механической деформации, материала контактов, температуры окружающей среды, параметрами фото- и тензоэлементов, переключателей на их основе можно управлять в нужном направлении [1013]. Композиты с наполнителями соединений вышеуказанного типа могут иметь особые физико-механические (эластичность, податливость, теплостойкость, и т.п.), электрофизические (электропроводность с переключением, диэлектрическими, аддитивными свойствами), электроактивные (тензо-, пирочувствительность), электролюминесцентные и т.п. свойства. Кроме того, изучение таких композиций важно для понимания механизма переноса заряда, диссипации энергий в гетерогенных системах полимер-проводник, полимер-металл для изучения межфазных явлений, а также в процессах модифицирования структуры и свойств самих полимеров при их радиационных и других видах воздействий. По получению и исследованию диэлектрических и электретных свойств этих композитных материалов имеются данные за последние годы [14], где показано, что композиции на основе ПЭ с добавкой TlGaSe2 5-7 об.% являются качественными электретами со временем жизни 360 дней. Дальнейшее улучшение электретных характеристик требует детального изучения морфологий поверхности и особенностей распределения наполнителей в композитах.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
В настоящей работе излагаются результаты исследования рельефа поверхности композитов ПЭВП+х об.% TlGaSe2 (х = 0; 0,01 0,05; 0,10) методами атомно-силовой микроскопии (АСМ). С этой целью нами был применен режим АСМ "MD mode" [15]. Главной особенностью этого режима является то, что траектория движения зонда при подводе-отводе существенно отличается от траектории движения зонда при стандартных режимах АСМ. При подводе зонд касается «чистой» поверхности и измеряет координаты топографии поверхности в жестком контакте. При этом траектория перемещения зонда не допускает латерального его перемещения относительно поверхности в контакте. Затем зонд отводится от поверхности на расстояние, при котором отсутствует всякое взаимодействие с образцом, и только после этого производится латеральное перемещение к следующей точке измерения. Это исключает повреждение острия зонда или его застревание во время сканирования и позволяет получать топографию поверхности со сложным рельефом.
© Мамедов Г. А., Годжаев Э.М. , Магеррамов А.М., Зейналов Ш.А., Электронная обработка материалов, 2011, 47(6), 94-98.
В эксперименте нами использовался зонд конической формы из вольфрама (коэффициент упругости кантилевера ~15 нм; угол конусности острия зонда ~270). Исследуемые образцы ПЭВП+х об.% ТЮа8е2 (х = 0; 0,01; 0,05; 0,10) размером 5х5 мм и толщиной 0,5 мм помещались на железную пластину толщиной около 1 мм.
В результате были получены плоскостные изображения участка поверхности композитов (рис. 1). Исследование проводилось без механической обработки. Гистограммы АСМ-изображения поверхности ПЭВП и композитов приводятся на рис. 2.
Z, нм
200 а
1D0ÛO V, hmsooo
6000 4000
2000
0 0
а
Z, нм 100
о
¥. нм 100ÜÜ S0Ü0
6000 4U0G
2000
0 0
б
о о
в
о о
г
Рис. 1. Объемные АСМ-изображения поверхности композиций ПЭВП+х об.% ТЮаБе2: а полиэтилен; б - 3 об.% ТЮаБе2; в - 5 об.% ТЮаБе2; г - 10 об.% ТЮаБе2
чистый
Image Histogram
I Roughness Average 13,28 nm Root Mean Square 13,14 nm
Image Histogram
I Roughness Average 81,53 nm Root Mean Square 100,11 nm
б
а
в г
Рис. 2. Гистограммы поверхности композиций ПЭВП+х об.% ТЮаБе2: а - чистый полиэтилен; б, в, г - при 1, 5 и 10 об.% наполнителя
Исследование поверхности чистого полиэтилена (рис. 1) методами АСМ указывает на сложный неоднородный характер приграничного слоя материала. Рельеф поверхности свидетельствует о шероховатостях в пределах до 100 нм с резкими перепадами.
Анализ полученных результатов показывает, что добавки TlGaSe2 в количестве 1, 5 и 10 об.% к ПЭВП приводят к значительным изменениям морфологии поверхности композитов и к сглаживанию дефектов поверхности образцов. На объемном изображении (рис. 1) отчетливо наблюдается некоторое сглаживание дефектов поверхности. Хотя неоднородность поверхности увеличивается по сравнению с образцом чистого полиэтилена до 280 нм (гистограмма рис. 2), тем не менее наблюдаемые шероховатости более плавно переходят друг в друга.
Сравнительный анализ полученных изображений указывает на укрупнение возникающих на поверхности композита кластеров, что свидетельствует о повышении механической прочности полученных материалов.
Рис. 3. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь композитов ПЭВП+х об.% ТЮаБе2 от частоты: 1 - чистый ПЭ; 2 - 3 об.% ТЮаБе2; 3 - 7 об.% ТЮаБе2
В работе были исследованы частотные зависимости диэлектрической проницаемости в и потеря проводимости tg5 для композиций ПЭВП+х об.% ТЮа8е2 (х = 0; 3; 7). Как следует из рис. 3, для чистого ПЭВП с увеличением частоты от 2000 Гц до 430 кГц tg5 уменьшается, а в дальнейшем увеличение частоты до 530 кГц достигает своего максимального значения и начинает уменьшаться до 570 кГц. Также исследована зависимость tg5(lgv) для композитов с добавкой 3 и 7% ТЮа8е2. Как видно из рис. 3, для композита с добавкой 3% ТЮа8е2 уменьшение tg5(lgv) наблюдается в интервале 2100 Гц - 430 кГц, потом наступает резкий рост, наблюдается максимум при 530 кГц, и с увеличением содержания ТЮа8е2 в составе композита 7% происходит существенное увеличение tg5 по величине. При частоте 2000 Гц tg5 уменьшается в 2,5 раза. При частоте 530 кГц наблюдается максимум. В целом характер изменения tg5 в зависимости от частоты сохраняется для всех исследованных композитов. Для композитов ПЭВП+ТЮа8е2 также изучена зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Как следует из рис. 4, для чистого ПЭ зависимость в(lgv) остается практически постоянной. Аналогичная зависимость выявлена и для композита ПЭВП+3% ТЮа8е2. Для композита ПЭВП+7% ТЮа8е2 максимум на кривой в(^) наблюдается при частоте 175 Гц. В отличие от чистого ПЭВП и композита ПЭВП+3% ТЮа8е2 для композита ПЭВП+7% ТЮа8е2 происходит уменьшение диэлектрической проницаемости.
Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницаемости композитов ПЭВП+х об.% TlGaSe2 от частоты: 1 - чистый ПЭ; 2 - 3 об.% TlGaSe2; 3 - 7 об.% TlGaSe2
Изменение в с изменением частоты можно объяснить следующим образом. При постоянных внешних условиях изменение частоты в определенном интервале приводит к изменению диэлектрической проницаемости. При низких частотах поляризация синхронно следует за изменением поля, ориентационная поляризация полностью проявляется и в достигает своего максимального значения. Естественно, при очень высоких частотах диполи не успевают ориентироваться, то есть в таких условиях диполи можно рассматривать как неподвижные, и ориентационная поляризация отсутствует, и в уменьшается. Для промежуточной области частот характерны дисперсии в, и на кривой в = ф(lgv) для исследованных композитов наблюдается максимум. Смысл этих сингулярностей очевиден при исследовании модели стрелки действия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Galikhanov M.F., Eremeev D.A., Deberdey R.Y. Elektret in Compounds of Polystyrene with Aerosil. Russian Journal of Appl. Chem. 2003, 76(10), 1651-1654.
2. Трахтенберг Л.И., Герасимов Г.Н., Потапов В.К. Нанокомпозиционные металлополимерные пленки, сенсорные, каталитические и электрофизические свойства. Вестник Московского университета. 2001, 42(5), 325-331.
3. Магеррамов А.М. Структурное и радиационное модифицирование электретных, пьезоэлектрических свойств полимерных композитов. Баку: Элм, 2001. 327 с.
4. Ошмяк В.Г., Тимак С.Г., Шамаев М.Ю. Моделирование вязкого разрушения полимерных смесей и композитов с учетом формирования межфазного слоя. Высокомол. соед. Сер. А. 2003, 45(10), 1689-1698.
5. Годжаев Э.М., Османова С.С., Аллахяров Э.А., Нуриев М.А. Композиционный материал для короноэлектретов. Патент № I 2008 0083, Баку, 2008.
6. Закаревский В.А., Пахотин З.А., Фомин В.А. Способ нанесения заряда на диэлектрик. А.С. СССР, № 734901 от 25.05.1980.
7. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Османова С.С., Нуриев М.А., Аллахяров Э.А. Зарядовое состояние композиции на основе полиэтилена с полупроводниковым наполнителем TlInSe2. Электронная обработка материалов. 2007, 43(2), 84-88.
8. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Сафарова С.И., Нуриев М.А. Рагимов Р.С. Диэлектрические свойства полимерных композитов с полупроводниковым наполнителем TlInSe2. Электронная обработка материалов. 2008, 44(6), 66-71.
9. Magerramov A.M., Nuriev M.A., Veliev I.A. and Safarova S.I. Coronoelectrets Based on Polypropylene Composites Dispersed by a TlInxCe1 - xSe2 Semiconductor Filler. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2010, 46(2), 169-172.
10. А.С. 539215 (СССР). Способ регулирования чувствительности тензодатчиков. Абдуллаев Г.Б., Рустамов ВД., Исмайлов М.З., Баннаев К.М., Бидзинова С.М. Опубликовано в М.И. 1976. № 46.
11. А.С. 607502 (СССР). Полупроводниковый переключатель. Абдуллаев Г.Б., Абдуллаев А.Г., Гусейнов Г.Д., Азимов З.А. и Карнаухов А.М. 1978.
12. А.С. 272986 (СССР). Полупроводниковый фоторезистор. Абдуллаев Г.Б., Гусейнов Г.Д., Алиев М.Х., Алексеев И.В., Керимов Э.М. и Бурман В.Л. 1970.
13. Годжаев Э.М., Пашаев А.М., Агаева С.Х., Гюльмамедов К.С. Метод регулирования чувствительности тензопереключателей. Патент. № I 2008 0195, 28.07.2006.
14. Godzhaev E.M., Magerramov A.M., Zeinalov Sh.A., Osmanova S.S. and Allakhyarov E.A. Coronoelectrets Based on Composites of High Density Polyethylene with a TlGaSe2 Semiconductor Filler. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2010, 46(6), 615-619.
15. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004. С. 197-201.
Поступила 14.02.11 После доработки 14.07.11
Summary
The technology of reception, research of a relief of a surface by the atom-power microscope method and studying of dielectric properties of PHD+х vol.% TlGaSe2 (composites and PHD+x vol.% TlGaSe2 (х = 0; 0.01; 0.05; 0.10) are studied in the suggested work.
