Металлополимерный нанокомпозит на основе полипараксилилена и наночастиц серебра для оптоэлектроники

На правах рукописиБогинская Ирина АнатольевнаМеталлополимерный нанокомпозит на основеполипараксилилена и наночастиц серебра дляоптоэлектроники05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2012РаботавыполненавМосковскомгосударственномуниверситететонкиххимических технологий имени М.В. Ломоносова на кафедре химии и технологиипереработки пластмасс и полимерных композитов и в Институте теоретической иприкладной электродинамики РАН.Научные руководителидоктор технических наук, профессорСимонов-Емельянов Игорь Дмитриевичкандидат технических наук, доцентРыжиков Илья АнатольевичОфициальные оппонентызаведующая кафедрой химии и технологии переработкиэластомеровМосковскогогосударственногоуниверситета тонких химических технологий имени М.В.Ломоносова,доктортехническихнаук,профессорЛюсова Людмила Ромуальдовнадоцент кафедры квантовой электроники Московскогогосударственного университета имени М.В.

Ломоносова,доктор физико-математических наукМурзина Татьяна ВладимировнаВедущая организация:ОАО «Институт пластмасс имени Г.С.Петрова»Защита состоится "26"декабря 2012 г. в __ч. __ мин.На заседании Диссертационного совета ДМ 212.120.07 при МИТХТ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119831, г.

Москва, ул.М. Пироговская, д. 1., ауд. А-302.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан "___"___________2012 г.Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 117571, г.Москва, пр.Вернадского,86,МИТХТ им.Ломоносова, ученому секретарюУченый секретарьдиссертационного совета ДМ 212.120.07,доктор физ.-мат. наук, профессорВ.В. Шевелев2Общая характеристика работыАктуальность работыВ настоящее время одним из приоритетных направлений является созданиеновых оптических материалов на основе полимеров и наночастиц металлов дляоптики и оптоэлектроники. Предлагаемые материалы относятся к классунанокомпозитов, характеризующихся расширенным диапазоном оптических ифизико-химических свойств.

Введение в полимерную матрицу частиц металлананометрового размера позволяет создавать материалы с новыми сенсорными,оптическими, электрофизическими и каталитическими свойствами, что являетсяприоритетной задачей оптоэлектроники. Новые свойства в нанокомпозитахопределяются в значительной степени размерным фактором частиц. При размерахчастиц металла до 10 нм в металлах вследствие квантования появляются новыеоптические и электрофизические свойства. Введение наночастиц металларазмером до 10 нм в полимерную матрицу позволяет создавать оптическиепокрытиясновымисвойствами,обусловленнымиэлектродинамическимвзаимодействием квантовых точек металла друг с другом и с полимернойматрицей.Технология газофазного криохимического синтеза (ГКС) является наиболееперспективнойдлясозданияметаллополимерныхнанокомпозитовснаноразмерным распределением частиц в полимерной матрице.

КонтролируемыйГКС позволяет создавать нанокомпозитные покрытия полимер-металл требуемойтолщины с заданными параметрами микроструктуры и диапазоном измененияоптических и энергетических характеристик.Металлополимерный нанокомпозит на основе полипараксилиленаинаночастиц серебра (ППК-Ag) является перспективным материалом для созданияизделий оптоэлектроники. Исследование микроструктуры нанокомпозита наоснове ППК-Ag и влияния ее параметров на комплекс оптических иэлектрофизическихсвойствявляетсяактуальной3задачей.Практическоеприменение таких материалов определяется их составом, структурой и новыминаноразмерными свойствами.Целью работы является получение методом газофазного криохимическогосинтеза полимерного нанокомпозита на основе ППК-Ag с регулируемымипараметрами дисперсной микроструктуры, энергетической структуры и новымсочетаниемоптическихиэлектрофизическихсвойствдляизделийоптоэлектроники.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиеосновные задачи:- исследовать влияние технологических параметров ГКС на распределениенаночастицАgвполимернойматрицеимикроструктурупокрытий,формирующихся из ППК-Аg;-разработатьпрограммукомплексногоисследованияиизучитьмикроструктуру покрытий из нанокомпозитов ППК-Ag с помощью оптическихметодов и зондовой микроскопии;- провести исследование энергетической структуры ППК-Ag и установитьосновныезависимостиоптическихиэнергетическиххарактеристикнанокомпозита ППК-Ag от основных и обобщенных параметров дисперснонаполненной микроструктуры;- исследовать влияние наночастиц серебра на физико-механическиесвойства поверхности покрытий из нанокомпозита ППК-Ag;- изучить оптические свойства нанокомпозитов ППК-Ag, установитьдиапазон изменения его оптических характеристик и провести расчеты посозданию интерференционных фильтров с новыми характеристиками дляоптоэлектроники.Научная новизна заключается в комплексном исследовании технологии,структурных, энергетических и оптических свойств нанокомпозитов на основе4ППК-Ag на разных размерных и энергетических уровнях и установлениифундаментальных зависимостей состав – структура – свойство для созданияматериалов оптоэлектроники.- установлены оптимальные технологические параметры ГКС (температураи скорость испарения, температура и время полимеризации) формированиястабильных наноструктур в покрытиях на основе ППК-Ag с разным содержаниемнаночастиц серебра;- доказано, что наночастицы Ag в процессе ГКС (полимеризации)вытесняются в межглобулярный объем полимерной матрицы и образуют областис повышенной концентрацией наночастиц, изолированных друг от другаполимерной оболочкой, о чем свидетельствует отсутствие металлическойпроводимости в системе ППК-Ag;- показано, что при увеличении содержания наночастиц серебра от 1,4 об.

%размером ~ 1-2нм до 7 об. % в нанокомпозите происходит переход ихраспределения от узкого мономодального к широкому бимодальному, что связанос образованием агломератов из наночастиц размером ~ 6-12 нм в объемеполимерной матрицы и перестройкой микроструктуры нанокомпозита ППК-Ag;- установлено, что излучательные и оптические свойства системы ППК-Agпри увеличении содержания наночастиц изменяются и на концентрационнойзависимости интегральной интенсивности катодолюминесценции, величинызапрещенной зоны, интегральной плотности состояний наблюдается максимумпри содержании 6,3 об. % Ag, что связано с переходом распределения наночастицAg от мономодального к бимодальному и наличием в материале наночастицразных размеров, различающихся энергетическими характеристиками и наличиеммежглобулярных областей с повышенным содержанием наночастиц Ag;- впервые получены дисперсионные зависимости действительной (n) имнимой (k) частей коэффициента преломления для ППК-Ag с содержаниемнаночастиц серебра 3,5 – 10,5об.

% в диапазоне длин волн 350 -2000 нм и5показано, что диапазон изменения n и k существенно расширяется и составляет –1,4 – 2,4 и 0,24 – 0,6 соответственно.Практическая значимость работы заключается в-разработкесовременныхкомплексногоподходаинструментальныхметодовкисследованиюпараметровспомощьюмикроструктуры,энергетических, оптических и электрофизических свойств наноматериалов наоснове ППК-Ag;- получении по технологии ГКС нанокомпозитов на основе ППК-Ag состабильной структурой и воспроизводимыми свойствами для оптоэлектроники;- оптимизации составов и микроструктуры наноматериалов на основе ППКAgдляполученияматериаловоптоэлектроникисрегулируемымиэнергетическими, оптическими и электрофизическими характеристиками;- в определении на основе анализа температурных зависимостей удельногообъемного электрического сопротивления энергетической природы полимера инанокомпозитов ППК-Ag, которые можно рассматривать как широкозонныеполупроводниковые материалы;-вразработкеспециальнойпрограммыдлярасчетаоптическиххарактеристик - дисперсионных зависимостей действительной (n) и мнимой (k)частей коэффициента преломления нанокомпозитов ППК-Ag по данным спектровотражения и пропускания;- в проведении расчетов моделей интерференционных отрезающихфильтров на основе нанокомпозитов ППК-Ag для различных диапазонов длинволн (350-2000нм, 350-800нм 350-1300нм) с резкой границей отрезания ипропусканием 70 - 90%, с простой архитектурой, по ряду своих характеристикпревосходящих зарубежные аналоги фильтров.6Апробация работыУчастие в конференциях: конференции молодых ученых «Ломоносов –2010, 2011, 2012», МГУ им.

М. В. Ломоносова, Москва; Международнойконференции молодых ученых и специалистов SPO – 2011, Киев; ежегоднойконференции ИТПЭ РАН - 2010, 2011, 2012, Москва; МеждународнойконференцииICMAT-2011,Сингапур;Международнойконференции«Наукоемкие химические технологии – 2012», Тула.ПубликацииПо теме работы опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи врецензируемых журналах из списка ВАК и 12 тезисов докладов.Личный вклад автораПредставленные в диссертации результаты получены лично автором впроцессе проведения экспериментов по технологии получения покрытий изнанокомпозитовППК-Ag,изучениюмикроструктуры,оптических,энергетических и электрофизических характеристик, выполненных расчетов,обобщений и анализа всего массива экспериментальных данных, а такжеформулировании выводов и рекомендаций.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, литературного обзора и постановки задачисследования; трех глав, содержащих оригинальные результаты; выводов; спискацитируемойлитературыиприложения,содержащегоактовнедренииоригинальных результатов диссертационной работы, содержит 119 страницмашинописного текста, включает 60 рисунков, 7 таблиц и 104 наименованиялитературы.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведениисодержитсяобоснованиенеобходимостиразработкиметаллополимерных нанокомпозитов ППК-Ag, а также представлено состояниенауки и достижений в области создания металлополимерных нанокомпозитов дляоптоэлектроники.Глава 1.

Оптические и электронные свойства дисперсно-наполненныхнанокомпозитов полимер-металлВ литературном обзоре «Оптические и электронные свойства дисперснонаполненныхнанокомпозитовполимер-металл»приведенымоделитеоретического описания структуры и свойств нанокомпозитов типа полимер –металл и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными.Представлены основные результаты исследования влияния различных методовполучения дисперсно-наполненных нанокомпозитов (ДННК) полимер-металл (ПМе) на их оптические и электрофизические свойства.

Приведены результатыисследованийисследованияэлектрофизическихэнергетическойсвойствнанокомпозитовструктурыДННКнаирезультатыосновеП-Ме.Проанализированы излучательные свойства нанокомпозитов. На основаниилитературныхданныхобоптическихиэлектрофизическихсвойствахнанокомпозитов были сформулированы задачи для проведения исследованийметаллополимерного нанокомпозита на основе ППК-Ag.Глава 2.