Кинетика формирования и свойства нано- и микроструктур полимеров, синтезируемых в тлеющем разряде пониженного давления в парах адамантана и его производных

• Автор: Сафонов, Александр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 187 с. : ил.

Оглавление
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Наноструктуры, синтезируемые в тлеющем разряде
1.2. Структура и свойства полимера, синтезированного на поверхности подложек
1.3. Фрактальный анализ в физике конденсированного состояния
1.4. Механизм процесса формирования наноструктур
1.5. Адамантаны
1.6. Применение полимерных структур, перспективы развития
1.7. Выводы
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Методика синтеза полимерных структур, установки, исходные вещества
2.1.1. Методика синтеза плёнок в газовом разряде
2.1.2. Установка типа «Вакуумный колпак»
2.1.3. Установка типа «Разрядная ячейка»
2.1.4. Исходные вещества
2.2. Определение толщины, плотности, твёрдости и модуля упругости полимерной плёнки
2.3. Анализ поверхности полимера
2.3.1. Микротопология структуры
2.3.2. Корреляция различных точек поверхности полимера
2.3.3. Определение фрактальных характеристик поверхности
2.3.4. Статистика распределения элементов поверхности
2.4. Метод определения краевых углов смачивания
2.5. Метод определения коэффициентов пропускания в видимом диапазоне
2.6. Определение диэлектрических свойств
2.7. Методика антибиотических исследований
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Структура формируемого в тлеющем разряде полимера
3.1.1. Структуры формируемые в тлеющем разряде постоянного тока
3.1.2. Структуры формируемые в тлеющем разряде переменного тока
3.1.3. Синтез пленок и порошков вне разряда
3.1.4. Формирования пленок и порошков в разряде в парах адамантана
3.2. Кинетические закономерности формирования полимерных структур
3.2.1. Формирование полимерных структур
3.2.2. Кинетика роста для различных условий разряда
3.3. Свойства плёнок
3.3.1. Диэлектрические свойства
3.3.2. Оптические свойства
3.3.3. Краевые углы смачивания и работа адгезии
3.3.4. Антибиотические свойства
3.4. Фрактальные и топологические и корреляционные характеристики поверхности
3.4.1. Кореляция различных точек поверхности
3.4.2. Фрактальная размерность синтезируемых структур
3.5. Моделирование процесса формирования фрактальной поверхности
3.5.1. Моделирование поверхности, при синтезе плёнки частицами фиксированного размера
3.5.2. Моделирование поверхности, при синтезе плёнки частицами по заданному распределению
3.5.3. Моделирование вертикального роста полимера
3.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Приоритетом исследований и разработок современной науки являются функциональные и полифункциональные материалы, предоставляющие возможность развития химической и металлургической промышленности, энергетике, аэрокосмическим и транспортным системам, медицине. Для обеспечения плодотворности исследований данной области необходимо модифицировать теоретический аппарат, разрабатывать новые методы и подходы при создании различных структур с одновременной возможностью контроля состава и строения в нанометровом диапазоне.
Наноструктурные плёнки и порошки находят практическое применение как оптические, самоочищающиеся, антикоррозийные покрытия, в качестве химических и оптических сенсоров, в микро и наноэлектронике. В каждом конкретном случае производства приходится подбирать оптимальные условия синтеза, исходя из природы получаемого материала (металл, полупроводник, магнетик, диэлектрик), требований к поверхности покрытия (кристалличность, размер частицы, регулярность и гладкость поверхности) и, конечно, от экономических и экологических возможностей производства (чистота материалов и процесса, стоимость прекурсоров, скорость процесса, возможность получения покрытий большой площади, точность воспроизведения результатов и прочие).
Актуальность исследования процессов формирования наноструктур путём полимеризации в плазме тлеющего разряда пониженного давления обусловлена уникальностью получаемых продуктов и непрерывно расширяющимися границами практического применения нанокомпозиционных материалов. Активное изучение наноматериалов в последние годы выявило немало пробелов в фундаментальных знаниях о природе наноразмерных структур, их свойств и поведении в различных условиях. Ощущается необходимость разработки универсальных неразрушающих методов оценки и контроля свойств наноструктур [1].

Решение задачи по определению связи параметров синтеза со свойствами наноструктур получаемых в разряде зависит прежде всего от развитости общей теории физико-химической кинетики, в том числе в нестационарных условиях неравновесной низкотемпературной плазмы. Несмотря на большое количество исследований, касающихся применения наноструктур синтезируемых методом плазмохимического парофазного осаждения (РСУВ), существует ряд пробелов, касающихся механизмов их образования. В частности, использование тлеющего разряда пониженного давления, как наиболее чистого и экономически целесообразного из класса методов осаждения из газовой фазы, требует более детального исследования процессов происходящих в разряде и на поверхностях, находящихся под его воздействием, для определения механизмов и закономерностей их протекания [2].
Исследование и моделирование процессов формирования структур под воздействием низкотемпературной плазмы тлеющего разряда важно для анализа явлений самоорганизации в открытых системах, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией, представляют интерес с общенаучной точки зрения, в связи с наличием аналогии между эволюцией образования новой фазы и самоорганизацией в физике, химии, биологии, экологии [3,4].
Ежедневно расширяются границы применения плазмохимических технологий для решения практических задач, таких как обработка различных материалов с целью придания их поверхности определённых свойств без существенного влияния на объёмные характеристики, обработка мембран, создание различного рода полимеров, применяемых в качестве диэлектрических, оптических, самоочищающихся, антифрикционных, гидрофобных, защитных покрытий. Всё это требует решения задачи целенаправленного формирования наноструктур с заданным набором характеристик [5-9].
Для формирования в процессе газоразрядной плазмохимической полимеризации сложных объектов, таких как плёнки с регулярными
диэлектрических потерь, и др.), в частности как изолирующие и защитные слои в тонкоплёночных конденсаторах. Отмечается высокое качество малогабаритных конденсаторов на основе плазмополимеризованных продуктов. Многослойные конденсаторы такого типа имеют удельную ёмкость более 0,1 мкФ/см2, достаточно высокую электрическую прочность и стабильность параметров в широком диапазоне частот и температур.
Совершенно очевидно, что поверхностная структура полимерных плёнок, используемых в качестве изоляционных слоёв в тонкоплёночных конденсаторах, значительно влияет на физические и электрические характеристики конденсатора. Так, от рельефа поверхности полимерной плёнки зависит воспроизводимость ёмкости конденсаторов и их надёжность. Особенно важную роль структура поверхности изоляционных плёнок играет в сверхпроводниковой микроэлектронике, где используются очень тонкие слои диэлектрика. Так, в тонкоплёночных криотронах толщина диэлектрика обычно составляет 0,1-0,2 мкм, а для изготовления джозефсоновских переходов требуются изоляционные плёнки толщиной 0,003-0,01 мкм. Получение надёжных изоляционных слоёв столь малой толщины возможно только в том случае, если диэлектрик является беспористым и имеет однородную структуру [23, 24].
Выгодной альтернативой таким процессам, как лужение, фосфатирование, хромирование и другим обычным обработкам является нанесение плазмополимеризованных продуктов на металлы для защиты от коррозии. Основными преимуществами применения плазмополимеризованных продуктов для обработки металлов являются малая толщина, хорошая сплошность, высокая адгезия, низкая растворимость и высокая термостабильность высокозашитых плёнок, возможность нанесения без использования растворителей, следовательно, экологическая чистота процесса. Возможность осуществления в одном плазмохимическом реакторе очистки поверхности твёрдой подложки, нанесения плазмополимеризованной пленки и, если необходимо, плазмообработки нанесённой плёнки, например, в