1-ая международная конференция «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии». Санкт-Петербург, 1996.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖКИ КАК ФАКТОР УПРАВЛЕНИЯ СТЕПЕНЬЮ САМОКОНСТРУИРОВАНИЯ ПЛЕНОК ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ

П.П. Карагеоргиев, В.В. Лучинин, В.В. Карагеоргиева, А.З.Казак-Казакевич, А.Н.Дунаев, В.М.Пасюта

Центр микротехнологии и диагностики Санкт-Петербкргского Государственного Электротехнического Университета, 197376, С.-Петербург, ул. Профессора Попова, д.5, тел.:(812)-2345124, факс (812)-2341682

Несмотря на то, что в настоящее время активно ведутся рабо­ты по созданию приборов, принцип действия которых основан на использовании свойств сверхтонких пленок, включающих лишь не­сколько моно молекулярных слоев, полученных по методике Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ), на данный момент отсутствует единая кон­цепция о комплексной роли параметров поверхности подложки в структурообразовании таких нанослоевых композиций. В общем, структура сверхтонких ПЛБ определяется множеством факторов, но основой их структурообразования, пожалуй, являются процес­сы самоструктурирования наносимых монослоев в результате дей­ствия "внутренних" (межмолекулярных) сил и трансформации структуры этих слоев под влиянием "внешних" сил со стороны подложки.

В настоящем сообщении представлены результаты исследова­ния процессов самоструктурирования и трансформации ПЛБ в за­висимости от характеристик компонентов системы "подложка-амфифильное вещество (монослой)-субфаза." Использованием метода дифракции быстрых электронов на отражение и атомно-силовой спектроскопии (АСМ) было направлено преимущественно на определе­ние структурных характеристик пленок в плоскости слоя. Это обусловлено тем, что при наличии информации о структуре в плос­кости слоя возможно однозначно определить тип вносимой трансформа­ции: изменение параметров ближнего координационного окружения (параметров плоской ячейки слоя) и (или) изменение параметров, относящихся к дальнему порядку (размеры кристаллов, угол наклона молекул, степень искажения плоской сетки слоя). Исследование этими методами структур с возрастающим количеством монослоев позволяет проследить изменение структурных характеристик пленки при ее переходе из состояния, характеризующегося пре­имущественной трансформацией, к состоянию самоструктурирования. Применение стеариновой кислоты (St) и ее производных - стеаратов (St_nMe, где Me - металл) в качестве модельных веществ при экспериментальном изучении процессов структурной организации пленки целесообразно с той точки зрения, что для этих веществ хорошо изучены и поддаются анализу как начальное состояние - "первичные" монослои на поверхности субфазы, так и конечное - много­слойные ("толстые") пленки. В качестве подложек использовались пластины кремния с ориентацией (111), лейкосапфира с ориента­цией (0001) и стекло марки К-8.

Обработка данных электронографии с применением модели дву­мерного паракристалла выявила следующие особенности струк­турирования сверхтонких ПЛБ St и St Me:

1. Влияние физико-химических параметров поверхности подложки:

1.1. С увеличением количества нанесенных монослоев St на подложки кремния и стекла структурное упорядочение пленок в целом возрастает и при этом пленки с двумя и четыремя монос­лоями на кремневых подложках обладают дальним порядком. На­оборот, на подложках лейкосапфира с увеличением количества монослоев наблюдается возрастающая деградация пленки. Наиболее высокой степенью упорядоченности из этих образцов обладают мо-нослойные пленки на лейкосапфире.

1.2. Пленки St₂Pb на подложках кремния и стекла имеют значи­тельно меньшую флуктуацию периода (g^) в плоскости слоя и больший размер кристаллитов (L) по сравнению с соответствую­щими пленками St на этих же подложках. На подложках лейко­сапфира такое структурирующее по отношению к пленке дейст­вие ионов свинца не наблюдается, скорее наоборот - g(a) возрастает, L - уменьшается.

1.3. Гидрофобизация подложек во всех случаях приводит к резкому увеличению размера кристаллитов и уменьшению флук­туации периода в базисной плоскости.

1.4. Тип и параметры плоской ячейки слоя для всех указанных пленок соответствуют R-ячейке насыщенных парафинов; парамет­ры ячейки при этом определяются лишь наличием или отсуствием в субфазе ионов свинца и постоянны для всех подложек.

2. Влияние геометрических параметров поверхности подложки проявляется в том, что структура пленок St и St РЬ на подложках кремния, обработанных в селективном травителе, отличается мак­симальной (из наблюдавшихся) степенью упорядочения.

3. Воздействие на систему "подложка- монослой- субфаза" УФ излучения в процессе нанесению монослоев способствует повышению их структурного упорядочения. Выявленный эффект избирателен по отношению к составу системы- Так для кремневых подложек он значителен и при отсутствии в субфазе соли свинца, а для подложек сапфира и стекла лишь при наличии данной соли.

4. Влияние поверхностного давления проявляется в том, что средний размер кристаллитов (L) для монослойных пленок стеарата свинца, полученных при давлении 23 мН/м на кремниевых под­ложках, меньше, чем у аналогичных, но полученных при давлении 28 мН/м. Для последних характерен аномальный эффект сниже­ния L с увеличением количества нанесенных монослоев.

5. Влияние трехвалентных катионов проявляется в том, что пленки, полученные при наличии в субфазе солей алюминия и сурь­мы, независимо от остальных характеристик системы "субфаза-подложка", не обладают дальним координационным порядком в плоскос­ти слоя. В результате проведенных методом АСМ исследований было установлено, что примерно 70% площади поверхности пленок St^Al занимают области, характеризующиеся отсутствием строгой пе­риодичности в упаковке молекул. Остальные 30% площади пленок составляют фрагменты, обладающие трансляционной симметрией в плоскости слоя. Средний размер этих фрагментов - 2х2 нм. Срав­нение плоской "ячейки" St^Al с ячейкой структур, обладающих дальним порядком (St и St₂Pb), показано, что встраивание в слои St алюминия приводит к трансформации ближайшего молекулярного ок­ружения в плоскости слоя с изменением типа локальной упаковки молекул и уменьшением плотности упаковки.

Анализ взаимодействия "подложка-монослой" в рамках теории агрегативной устойчивости дисперсных систем позволило выявить макроскопические параметры, определяющие степень вносимых в монослой структурных деформаций - поверхностные потенциалы подложки и монослоя. При этом установлено, что эффект само подложки и монослоя- При этом установлено, что эффект само­структурирования доминирует при минимальном поверхностном потенциале подложки, что обеспечивается нейтрализацией ее ак­тивных поверхностных центров путем гидрофобизации; ограничен при одноименных потенциалах подложки и монослоя и возрастает в случае увеличения вклада низкоэнергетических связей между ними при воздействии на систему УФ-излучением; минимален при разноименных потенциалах монослоя и подложки вследствие пре­обладания высокоэнергетического взаимодействия между молеку­лами амфифильного вещества и поверхностными центрами подложки.

П.П. Карагеоргиев, В.В. Лучинин, В.В. Карагеоргиева, А.З.Казак-Казакевич, А.Н.Дунаев, В.М.Пасюта. Физико-химические свойства поверхности подложки как фактор управления степенью самоконструирования пленок Ленгмюра-Блоджетт // 1-ая международная конференция «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии». Санкт-Петербург, 1996, часть II, стр. 225

назад | главная страница