Совмещенная атомно-силовая и сканирующая резистивная микроскопия полимерных и неорганических материалов

На правах рукописиМешков Георгий БорисовичСОВМЕЩЕННАЯ АТОМНО-СИЛОВАЯ И СКАНИРУЮЩАЯ РЕЗИСТИВНАЯМИКРОСКОПИЯ ПОЛИМЕРНЫХ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВСпециальность 02.00.06 – высокомолекулярные соединенияАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква 2007Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физическогофакультета Московского государственного университета им.

М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессор Яминский Игорь ВладимировичОфициальные оппоненты:д.ф.-м.н. Демихов Евгений Ивановичк.ф.-м.н. Ежов Александр АнатольевичВедущая организация:Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАНЗащита состоится «25» апреля 2007 г.

в 16 часов на заседании диссертационногосовета Д 501.002.01 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы, МГУ, физическийфакультет, ауд. ЮФАС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан « » марта 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наукЛаптинская Т.В.2Общая характеристика работыАктуальность работы.Исследование проводящих свойств поверхностей является важной задачей вфизике. Методы сканирующей зондовой микроскопии стали использоваться в этойобласти сравнительно недавно, с начала 1990-х годов, но представляются достаточноперспективными в связи с процессом миниатюризации электронных схем ипереходом к размерам элементов нанометрового масштаба. Изучение процессов имеханизмов образования контактов двух материалов является актуальной задачей нетолько фундаментальной физики, но и с практической точки зрения, например, дляразличных методов исследования поверхности, в частности, зондовой микроскопии.Исследование графита представляется важным для целей зондовой микроскопии,поскольку графит одна из самых распространенных подложек и очень частоиспользуется в туннельной микроскопии.

На основе новых материалов проводящихполимеров, графена и других, возможно создание наноустройств для целей некремниевой электроники, например, полимерной электроники.Проводящие полимеры являются перспективным материалом для применения вэлектронике вследствие сочетания своих электрических и механических свойств. Дляих использования в микроэлектронике и для создания наноустройств необходимымявляется обеспечение однородности проводящих свойств на соответствующихприменению масштабах. Для задач проверки качества полученных материаловудобными являются методы сканирующей зондовой микроскопии, поскольку этиметоды по сравнению с другими, к примеру, электронной микроскопии, позволяютполучить информацию о материале и его поверхности без разрушения или какойлибо модификации.Полимерные комплексы могут использоваться для получения новых свойствматериалов.Комплексынаосновеполианилинапозволяютсочетатьегоэлектрические и оптические свойства с механическими и химическими свойствамидругих полимеров.

Использование водорастворимых полимерных матриц при синтезепозволяет получать молекулярно-дисперсные водные растворы интерполимерных3комплексовнаосновеполианилина,обладающиехорошимипроводящимисвойствами.Синтез полианилина в форме нанотрубок, наноцилиндров и нановолоконявляется перспективным в связи с разработкой методов создания наноустройств,которые могли бы использоваться как высоко чувствительные датчики и сенсоры.Цель диссертационной работы.Изучениесвойствповерхностейпроводящихполимеровипроцессовобразования электрического контакта, разработка методики совмещенной атомносиловой и сканирующей резистивной микроскопии (АСМ-СРМ), а также получение сее помощью новых данных о проводящих свойствах тонких пленок проводящихполимеров на основе полианилина, поверхностей графита и других неорганическихматериалов; исследование свойств нитевидных структур полимерных комплексов наоснове полианилина.Всоответствииспоставленнойцельюрешаютсяследующиезадачиисследования:Изучить процессы образования электрического контакта на таких проводящихповерхностях, как графит и золото, и исследовать его связь с образованиеммеханического контакта.Исследовать проводящие свойства поверхности графита и определить еёвозможности как подложки для исследования проводящих свойств находящихся наней объектов с помощью АСМ-СРМ.Исследовать распределение проводящих свойств тонких пленок полианилина намасштабах менее 10 мкм и определения степени их однородности.Охарактеризовать водный раствор интерполимерного комплекса «Полианилин поли-(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислота)»-ПАН-ПАМПС с помощьюатомно-силовой микроскопии и определить форму и геометрические размерымолекулярных ассоциатов.Материалы и методы.Всеизмерениясовмещеннойатомно-силовойисканирующейрезистивноймикроскопии проводились на сканирующем зондовом микроскопе ФемтоСкан (ЦентрПерспективных Технологий, Россия).

При измерениях использовались коммерческие4кантилеверы fpC11 (НИИФП, Россия) с жесткостью 0,03 и 0,1 Н/м и золотым проводящимпокрытием, DCP11 (НТ-МДТ, Россия) с покрытием из допированной алмазной пленкижесткостью 5 и 11 Н/м.Использовался высоко ориентированный пиролитический графит (ООО «АтомграфАГ») с углом разориентации 0,4.Исследовались пленки полианилина двух степеней окисления: лейкоэмеральдин иэмеральдин. Пленки полианилина были предоставлены нам для исследования О.Л.Грибковойи В.Ф.Ивановым (Институт физической химии и электрохимии РАН им. А.Н.Фрумкина).Образцы представляли собой стеклянные подложки, покрытые проводящим слоем оксидаолова (SnO2) или золота (Au), на которые был нанесен полианилин либо термическимнапылением в вакууме, либо осаждением при электрохимическом синтезе. В образцах спленками полианилина на стекле контакт припаивался непосредственно на проводящий слойпри помощи сплава Вуда.Исследуемый образец полианилин-найлона был предоставлен сотрудником кафедрывысокомолекулярныхсоединенийхимическогофакультетаМГУВ.Г.Сергеевым.Полианилин-найлон представлял собой пленку толщиной 0,1 мм, которая получалась присинтезе полианилина в присутствии нейлоновых матриц.Электрический контакт обеспечивался проводящей серебряной пастой, покрывающейчасть образца.Образцы интерполимерного комплекса ПАН-ПАМПС были предоставлены нам дляисследования О.Л.Грибковой и В.Ф.Ивановым.

Они получались матричным химическимсинтезом полианилина в присутствии полимерной сульфокислоты. Полианилин былприготовлен окислительной полимеризацией анилина в водном растворе при комнатнойтемпературевприсутствииполи(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислоты),используемой в качестве матрицы, и персульфата аммония в качестве окислителя.Отношение анилин:ПАМПС-мономер составляло 1:2. Для исследования отдельных молекулинтерполимерногокомплексаПАН-ПАМПСиспользовалсяразбавленныйраствор.Концентрации интерполимерного комплекса в растворе были 2⋅10-5 М.

Поверхность свежегоскола слюды, нагретой до средней температуры 50-60°С или находящейся при комнатнойтемпературе, обрабатывалась малым объемом раствора (2-15 мкл). После испарениярастворителя мы исследовали подложку с помощью атомно-силового микроскопа.Локальное анодное окисление поверхности графита проводилось при комнатныхусловиях при относительной влажности более 70%, зондами fpC11 с золотым покрытием.5Научная новизна диссертации.• Впервыенаграфитенаблюдалосьвлияниедоменныхграницидислокационных дефектов, находящихся под поверхностью и не дающихповерхностного рельефа, на сопротивление контакта зонд-образец.• Впервые наблюдалось образование оксида графита в процессе реакциилокального анодного окисления, а также было экспериментально измеренозначение параметра реакции.• ·Впервые с помощью совмещенной атомно-силовой и сканирующейрезистивной микроскопии обнаружена неоднородность проводящих свойствравномерно нанесенных тонких пленок полианилина на масштабах менее 1мкм.• Впервые с помощью атомно-силовой микроскопии был охарактеризованкомплекс ПАН-ПАМПС (1:2) и показана возможность его молекулярнойрастворимости до ассоциатов, состоящих из нескольких молекул, причемпоказана стабильность получающегося раствора.Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы былидоложены на следующих научных конференциях:• Четвертая Всероссийская Каргинская Конференция «Наука о полимерах21-му веку» 29 января-2 февраля 2007 г., Москва, МГУ• International Conference of Nanoscience and Technology, NANO 9 meetsSTM’06, Basel, Switzerland, July 30 – August 4, 2006• ПятаяМеждународнаяконференция“Углерод:фундаментальныепроблемы науки, материаловедение, технология”, 18-23 октября 2006 г.,Москва, МГУ• Summer school on nanotubes, International School NanoSciencesTech,Cargèse, Corsica, France, July 3-15, 2006• European polymer congress 2005, Moscow, Russia June 27-July 1, 2005• Международной конференция "Физико-химические основы новейшихтехнологий XXI века ", Москва, 30 мая – 4 июня 2005• Конференция "Малый полимерный конгресс", Москва, 29 ноября – 1декабря 20056• International Workshop "Scanning Probe Microscopy – 2004", NizhnyNovgorod, May 2-6, 2004• ТретьяВсероссийскаяКаргинскаяконференция"Полимеры-2004",Москва, 27 января – 1 февраля, 2004Практическая значимость.Результаты диссертационной работы позволяют продвинуться в решенииследующих практических задач:• исследования процессов, происходящих при образовании электрическогоконтакта двух различных поверхностей;• исследованияоднородностипроводящихсвойствтонкихпленокполианилина;• получения нанобъектов полимерных комплексов, растворимых в воде.Разработанная методика может быть применена на различных проводящихповерхностях, в том числе и для исследования полупроводниковых материалов.Личный вклад автора.Все экспериментальные измерения проводящих свойств полианилина, графита идругих материалов, а также измерения методом атомно-силовой микроскопиивыполнены автором самостоятельно.