Синтез, электрофизические и оптические свойства тонкопленочных полимерных и металлополимерных наноструктурированных покрытий на основе поли-пара-ксилилена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Гусев, Алексей Васильевич

• Гусев, Алексей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гусев, Алексей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1 Защитные покрытия в приборостроении.

1.1.1 Метод плазменной полимеризации.

1.1.2 Метод газофазной полимеризации на поверхности.

1.1.3 Сравнение поли-пара-ксилилена с лаковыми покрытиями.

1.1.4 Сравнение поли-пара-ксилилена с другими тонкопленочными полимерными покрытиями.

1.2 Металлополимерные композиты на основе полимерной матрицы поли-пара-ксилилена.

1.2.1 Технология получения композитов поли-пара-ксилилен -металл.

1.2.2 Общая схема процесса газофазной полимеризации на поверхности.

1.2.3 Высокотемпературная полимеризация.

1.2.4 Твердофазный криохимический синтез.

1.2.5 Преимущества твердофазного криохимического синтеза.

1.3 Свойства нанокомпозитов на основе полимерной матрицы поли-пара-ксилилена

1.3.1 Фотопроводимость.

1.3.2 Магнитные свойства.

1.3.3 Диэлектрические свойства.

1.3.4 Сенсорные свойства.

1.3.5 Каталитические свойства.

1.4 Анализ литературных данных.

ГЛАВА 2. Постановка задач диссертационной работы.

2.1 Задачи диссертационной работы.

2.2 Экспериментальное оборудование.

ГЛАВА 3. Защитные полимерные покрытия поли-пара-ксилилена

3.1 Получение поли-пара-ксилиленовых покрытий.

3.1.1 Технология синтеза покрытий.

3.1.2 Оборудование для синтеза поли-пара-ксилиленовых покрытий

3.1.3 Система авторегулирования технологических параметров.

3.1.4 Расчет технологических параметров синтеза.

3.2 Оптимизация условий синтеза поли-пара-ксилилена.

3.2.1 Определение оптимальных параметров синтеза.

3.2.2 Метод увеличения адгезии поли-пара-ксилилена.

3.2.3 Распределения потоков пара-ксилилена в реакторе полимеризации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез, электрофизические и оптические свойства тонкопленочных полимерных и металлополимерных наноструктурированных покрытий на основе поли-пара-ксилилена»

Основные характеристики конструкционных материалов, используемых в настоящее время в электронике, радиотехнике и энергетике приблизились к физическим пределам, а возможности традиционных подходов при создании новых электронных компонент и материалов практически исчерпаны. Получение материалов с новыми, принципиально отличными физико-химическими свойствами возможно путем изменения их структуры на субмолекулярном и наноразмерном уровнях. Ожидается, что при этом могут качественно измениться базовые свойства материалов (теплопроводность, электропроводность, пластичность, фотопроводимость, магнитная проницаемость и др.), что позволит реализовать с их помощью абсолютно новые явления, такие как «сверхразрешение», гигантское комбинационное рассеяние, сверхвысокая каталитическая активность и аномальная фотопроводимость.

С этой точки зрения интересными материалами являются многослойные тонкопленочные структуры из чередующихся слоев металлов, диэлектриков и поли-пара-ксилилена (далее ППК), а также нанокомпозиты поли-пара-ксилилен - металл (далее ППК - Ме). Такие композиционные материалы, проявляя ряд необычных свойств, интересны как объекты фундаментальных исследований и могут также найти широкое практическое применение, так как полимерная оптика и, в частности, полимерные оптические покрытия, всё чаще находит своё применение в качестве конструкционных элементов в высокотехнологичном машиностроении.

Необходимо отметить многофункциональность систем, содержащих ППК. Наряду с новыми электрофизическими свойствами они обладают также защитными свойствами и могут использоваться при создании функциональных покрытий для оптических приборов и микроэлектронных устройств в качестве межслойной изоляции, активных и пассивных слоев транзисторов, полупроводниковых лазеров, влагозащитных и электроизолирующих слоев.

Применяемые в настоящее время защитные покрытия можно разделить условно на три большие группы: лаковые покрытия, покрытия на основе неорганических материалов и полимерные тонкопленочные покрытия. При использовании полимерных материалов в оптических системах на первый план выходят проблемы, связанные с их механической, химической и оптической совместимостью с конструкционными элементами другой природы, а также высокой трудоемкостью используемых в настоящее время технологий. Перспективным в этом направлении является получение полимерного покрытия поли-пара-ксилилена в процессе газофазной полимеризации на поверхности [2.2]парациклофана и его производных (далее ГПП; Vapor Deposition Polymerization, VDP - процесс ). Преимущество данного метода получения покрытия состоит в том, что плёнка формируется одновременно по всей поверхности субстрата, независимо от его профиля, и образует на ней защитный, однородный по толщине слой. Покрытие имеет одинаково хорошее качество в щелях, вблизи острых краев и кромок, в отверстиях и труднодоступных местах.

Актуальность выбранного направления исследований соответствует современным тенденциям развития науки и техники. Данная работа направлена на создание научно-технического задела технологии получения функциональных наноструктурированных полимерных и композиционных тонкопленочных материалов (покрытий) для широкого круга потребителей. Созданные технологии газофазной полимеризации на поверхности позволят получать тонкопленочные материалы нового поколения, характеризующиеся переходом к наноминиатюризации. Основными потребителями могут быть предприятия электронного, оборонного, авиационного и космического комплексов, предприятия точного машиностроения и приборостроения, предприятия энергетического комплекса, учреждения медицины, организации и предприятия РАН, ВУЗы, и другие ведомства, занятые созданием и использованием продуктов высоких технологий.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Уникальная экспериментальная технологическая установка и метод твердофазного криохимического синтеза металлополимерных нанокомпозитов поли-пара-ксилилен - металл с возможностью "т яИи" измерения электрофизических параметров.

2. Показано, что введение наночастиц серебра в полимерную матрицу поли-пара-ксилилена позволяет при увеличении концентрации серебра в интервале 2 12 об. % изменять электрическое сопротивление нанокомпозита в диапазоне Ю11-^- 106 Ом-м.

3. Метод увеличения (в 2 - 3 раза) пробивного напряжения покрытий с пористой структурой на основе оксидов титана и алюминия, полученных методом анодного плазменного окисления, путем заполнения их пор полипара-ксилиленом.

4. Метод синтеза нанокомпозитов, содержащих наночастицы серебра с размерами от 2,5 до 5 нм. Показано, что наночастицы расположены в матрице поли-пара-ксилилена на расстоянии от 6,5 до 25 нм друг от друга. Увеличение концентрации серебра в диапазоне от 2 до 12 об.% приводит к одновременному росту размера наночастиц и расстояний между ними.

5. Эмпирическая модель механизма проводимости и структурных преобразований в процессе криосинтеза металлополимерных нанокомпозитов поли-пара-ксилилен - серебро, основанная на результатах исследования их структурных, оптических и электрофизических свойств.

6. Показано, что максимум полосы поглощения в видимой области спектра металлополимерных наноструктурированных оптических покрытий поли-пара-ксилилен - серебро сдвигается в длинноволновую область при увеличении концентрации серебра.

7. Технология создания оптических защитных полимерных покрытий на основе поли-пара-ксилилена, устойчивых к факторам воздействия внешней среды (влажность, перепад температур, ультрафиолетовое облучение) для использования в полимерной оптике, селективных энергосберегающих покрытиях, многослойных функциональных оптических покрытиях.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Гусев, Алексей Васильевич

выводы

1. Разработана технология создания многослойных функциональных радиоотражающих и энергоэффективных оптических покрытий, включающая в себя ионно-плазменную обработку поверхности, нанесение наноразмерной пленки металла, нанесение наноразмерного адгезионного слоя и полимерного защитного покрытия поли-пара-ксилилена.

2. Исследованы процессы формирования и разработана технология создания оптических защитных полимерных покрытий поли-пара-ксилилена, получаемого в процессе газофазной полимеризации на поверхности [2.2]парациклофана и его производных, устойчивых к факторам воздействия внешней среды (влажность, перепад температур, ультрафиолетовое облучение).

3. Разработана и изготовлена уникальная вакуумная установка криосинтеза металлополимерных нанокомпозитов поли-пара-ксилилен - металл.

4. Получена зависимость между структурными особенностями нанокомпозита поли-пара-ксилилен - серебро, оптическими и электрофизическими свойствами.

5. Предложена эмпирическая модель проводимости и структурных преобразований в процессе криосинтеза металлополимерных нанокомпозитов поли-пара-ксилилен - серебро.

6. Показана зависимость положения максимума поглощения в видимой области спектра от концентрации металла в нанокомпозите поли-пара-ксилилен - серебро.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гусев, Алексей Васильевич, 2010 год

1. Гшъман А.Б. Колотыркин B.M.1. ХВЭ Т11 №5.

2. Пономарев А.Н. Савенков Г.Н. Байдаровцев Ю.П. Нестеров М.А.П ХФЭ Т32 №1.

3. Olson R. Insul.//Circuits, 1978, 24, № 11, 33—35.

4. Loeb W. E. «Soc. Plast. Eng. J.», 1971, 27, № 9, 46—51.

5. Szwarc M, «Polym. Eng. and Sei.», 1976, 16, №7, 473—479.

6. Lee S. A4., LicariJ. J., Litant I. «Metallurgical transactions», 1970, /, № 3, 701—710.

7. Taylor R. C, Weiber В. «Thin Solid Films», 1975, 26, № 2, 221— 226.

8. Parkes L. R. «Metall. Mater. Technol.», 1977, Я № 7, 371—372.

9. Ткачук Б. В., Колотыркин В. М. Получение тонких полимерных пленок из газовой фазы. М., Химия, 1977, 214 с.

10. Loeb W. Е. «Tech. Pap., Reg. Tech. Conf., Soc. Plast. Eng. Philadelphia Sect.», 1971 (March 10—11), 97—106.11 .Kale V. S., Riley T. J. «IEEE Trans. Parts, Hybrids and Packaging» 1977, PHP-13, № 3, 273—279.

11. Григорьев Е.И., Завьялов С. А., Чвалун C.H. //Российские нанотехнологии.// Обзоры. 2006. Т. 1. С. 58.

12. Магтян К.А. П Диссертация, к.х.н., НИФХИ, 1995.

13. Озерин С.А., Кнреева Е.В., Григорьев Е.И., Герасимов Г.Н., Чвалун С.Н. //Высокомолекулярные соединения. А. 2007. Т. 49. №7. С. 1215.

14. Григорьев Е.И., Герасимов Г.Н., Кардаш И.Е., Трахтенберг Л.И. //Пат. 2106204 РФ. 1997.

15. Senckevich J.J., Desu S.B., Appl. //Phys. A. 2000. V. 70. №5. P. 541.

16. Senckevich J. J. //Пат. 6495208 США. 2002.

17. Beach W.F.II Macromolecules. 1978. V. 11. №1. P. 72.

18. Zhao Y.-P., Fortin J.В., Bonvallet G., Wahg G.-C., Lu T.-M. //Phys.Rev. Lett. 2000. V. 85. №15. P. 3229.lO.Gaynor J.F., Desu S.B., Senkevich J.J. //Macromolecules. 1995. V. 28. №.22. P. 7348.

19. Rogojevic S., Moore J.A., Gill W.N. //J. Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. №1. P. 266.

20. Fortin J.B., Lu T.-M. //Chem. Mater. 2002. V. 14. №5. P. 1945.

21. Vaeth KM., Jensen K.F. //Chem. Mater. 2000. V. 12. №5. P. 1305

22. Трахтенберг Л. И., Герасимов Г. Н., Потапов В. К., Ростовщикова Т. К, Смирнов В. В., Зуфмаи В. Ю. //Вестник Московского ун-та. 2. Химия. 2001. Т. 42. № 5. С. 1105.

23. Nikolaeva Е. V., Ozerin S.A, Grigoriev А.Е., Grigoriev Е.1., Chvahin S.N., Gerasimov G.N. and Trakhtenberg L.I. //Mater. Sci. and Eng. C. 1999. V. 89. P. 217.

24. Загорский В.В., Петрухина М.А., Сергеев Г.Б., Розенберг В.И., Харитонов В.Г. //Пат. 2017547 РФ. 1994.

25. Sergeev G., Zagorsky V., Petrukhina М. /Я. Mater. Chem. 1995. V. 5. №1. Р.31.

26. Сочилин В.А., Кардаш И.Е., Герасимов Г.Н. //Высокомолек. соед. Б. 1995. Т. 37. №11. С. 1938.

27. Nikolaeva Е. V., Ozerin S.A, Grigoriev А.Е., Grigoriev E.I., Chvalun S.N., Gerasimov G.N., Trakhtenberg L.I. //Mater. Sci. and Eng. С 1999. V. 8-9. P. 217.

28. Химии. 2006. Т. 80. №9. С. 1650. 32.Gerasimov G.N., Sochilin V.A., Chvalun S.N., Volkova L.V., Kardash I.E. //Macromol. Chem. Phys. 1996. V. 197. №4. P. 1387.

29. ЪЪ .Alexandrova L., Likhatchev D., Muhl S., Salsedo R., Gerasimov G., Kardash I. //Inorg and Organomet. Polymers. 1988. V. 8. №1. P. 152.

30. Trakhtenberg L.I., Gerasimov G.N., Alexandrova L.N., Potapov V. V. //Radiat. Phys. and Chem. 2002. V.65. №4-5. P. 479.35. jBochenkov V.E., Stephan N., Brehmer L., Zagorskii V.V., Sergeev G.B. //Colloids and Surface. A. 2002. V. 198-200. P. 911.

31. Chvalun S.N., Ozerin S.A., Zavyalov S.A., Grigoriev E.I. //European polymer congress-2005. M.V. Lomonosov Moscow State University. 2005. P.34

32. KuboS., Wunderlich B. //Makromol. Chem. 1972. V. 162. P. 1.

33. Gazicki M., Surendran G., James W., Yasuda H. IIJ. Polymer. Sei. A. 1986. V. 24. №2. P. 215.

34. Герасимов Г.Н., Григорьев Е.И., Григорьев A.E. и др. //Химическая физика. 1998. 17. С. 180.

35. AO.Nikolaeva Е. V., Ozerin S.A., Grigoriev A.E. et all. //Mater. Sei. Eng. C. 1999. P. 304.

36. Трахтенберг JI. И., Герасимов Г. Н., Потапов В. К., Ростовщикова Т. К, Смирнов В. В., Зуфман В. Ю. //Вестник Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. Т. 42. №5

37. Трахтенберг Л.И., Герасимов Г.Н., Григорьев Е.И. //ЖФХ. 1999. 73. С. 264

38. Alexandrova L., Sansores Е., Martinez Е. et all.И Polymer. 2001. 42. P. 273.

39. Bochenkov V.E., Stephan N., Bremher L. et all //Abstr. of The Ninth Intern. Conf. on Organized Molecular Films. 2000. 1. P. 172.

40. Asscher H., Rosenzweig Z. IIJ. of Vac. And Technol. A. 1991. V.9., N.3. P. 1913.

41. Wilker S., Henning D., Lober R. II Phys. Rev. B. 1994 V.50. N.4. P. 2548. 41 .Карпович И.А., Тихое C.B., Шоболов Е.Л., Зонков Б.Н. //Журналтехнической физики. 2002. Т. 72. В. 10. С 652.

42. Завьялов С.А., Григорьев Е.И., Чвалун С.Н., Воронцов П.С. //Письма в ЖТФ 2002. Т. 28. В. 20. С. 64.

43. Воронцов П. С., Герасимов Г.Н., Голубева E.H. и др. //ЖФХ. 1998. Т. 72. С.1912.

44. Ростовщикова Т.Н., Смирнов В.В., Голубева E.H. и др. //Химическая физика. 1998. Т. 17, С. 63.

45. И.Е. Кардаш, А. В. Пебалк, А. Н. Праведников. // Химия и технология высокомолекулярных соединений. М.:ВИНИТИ, 1984. Т. 19. С. 66150.

46. W.F. Beach, С. Lee, D.R. Bassett et al.// Xylylene polymers, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering. Second Edition. 1989. Vol. 17. p. 9901025.

47. Суминов И.В., Эпелъфельд A.B., Крит Б. JI., Людин В.Б., Борисов A.M. // Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование).- М.: ЭКОМЕТ, 2005,- 368 с.

48. Людин В.Б., Эпелъфельд A.B., Кулешов Ю.В. // Установка для измерения электрической прочности МДО-покрытий. Новые материалы и технологии. М., 2004, С. 71-75.

49. О.Агнихотри, Б. Гупта. // Селективные поверхности солнечных установок, г. Москва «Мир» 1984.

50. Помогайло А.Д. II Успехи химии. 1997. T. 66. № 8. С. 750.

51. Помогайло А.Д., Розенберг Д.С., Уфлянд И.Е. II Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия. 2000. С. 672.

52. Трахтенберг Л. И., Герасимов Г.Н., Григорьев Е.И. II Нанокластеры металлов и полупроводников в полимерных матрицах: синтез, структура и физико-химические свойства. Журнал физической химии. 1999. Т. 73. № 2. С. 283 -295.

53. Stepanov A.L., Khaibullin R.I. II Optics of metal nanoparticles fabricated in organic matrix by ion implantation. Rev. Adv. Mater. Sei. 2004. V. 7. P. 108- 125.

54. Оура К, Лифшиц В.Г. II Ведение в физику поверхности. Наука, Москва 2006 г. С. 33.

55. Краенокутский Ю.И., Верегцак В.Г. II Получение тугоплавких соединений в плазме, Киев: Высшая школа, 1987.

56. Золкин A.C. // Источники парав металлов для научных исследований и технологий. Новосибирск, 1992 г.

57. Takagi Т. // Ionized cluster beam deposition and processes // Pure Appl. Chem. 1988. Vol. 60, N 5. P. 781.

58. Konarev Р. К, Volkov V. V., Sokolova А. V., Koch M.H.J., Svergun D.I. II J. App. Cryst. 2003, V.36. Part 5. P. 1277-1282.

59. Svergun D.I. //J. Appl. Cryst. 1991. v.24. P.485-492.

60. Svergun D.I. II J. Appl. Cryst. 1992. v.25. P.495-503.

61. Svergun D.I. Il Biophys. V.76. P.2879-2886.

62. Н. Мотт, Э. Дэвис. // Электронные процессы в некристаллических веществах. Пер. с англ. Москва, «Мир», 1982 . Т.1. С. 368.

63. Ж. Симон, Ж.-Ж. Андре. II Молекулярные полупроводники, М.: Мир, 1988., С. 344

64. Тугое И.И., Кострыкина Г.И. II Учебное пособие для вузов. Москва, «Химия», 1989. С. 58.

65. R. Ferrel Л\ Phys. Rev. 111, 1214 (1958)

66. Е. О. Lisnev, А. V. Dorofeenko.A. P. Vinogradov. II Appl Phys А (2010) Epsilon-near-zero material as a unique solution to three different approaches to cloaking.