Металлополимерный нанокомпозит на основе полипараксилилена и наночастиц серебра для оптоэлектроники (1090634), страница 3
Текст из файла (страница 3)
%.наночастиц Ag (рис. 7).Рисунок 7. Концентрационная зависимость интегрального светорассеяния(S) в нанокомпозитах ППК-Ag.Максимум на интегральной зависимости светорассеяния свидетельствует осложном характере рассеяния в нанокомпозите ППК- Ag. Межглобулярный объемполимера,вкоторомконцентрируются15наночастицыAg,можетвзаимодействовать с излучением в качестве дополнительного рассеивателя,вследствиечегоипоявляетсямаксимум.Моделированиезависимостиинтегрального светорассеяния согласно модели Максвелла Гарнетта показалосуществование максимума рассеяния при условии, если доля межглобулярногообъема будет составлять не менее 30об.
% от общего объема нанокомпозита ППКAg.С помощью метода модуляции силыбыли проведены измеренияраспределения локальной жесткости по поверхности нанокомпозита ППК-Ag.Показано,чтосредняявеличиналокальнойжесткостиповерхностинанокомпозита ППК-Ag возрастает с 0,3 до 1,2 н/м при увеличении содержаниянаночастиц Ag с 0 до 8,4 об.
%. С помощью методов силовой спектроскопии илитографии были проведены измерения микротвердости покрытий ППК – Ag cсодержанием наночастиц Ag 0 – 7 об.% и показано линейное уменьшениемикротвердости покрытий ППК-Ag при увеличении содержания наночастиц Agвследствие увеличения разрыхленности граничных слоев в нанокомпозите.На основе полученных данных нами предложена обобщенная модельмикроструктуры нанокомпозита ППК- Ag, которая включает полимерныеглобулы со средним размером ~ 200 нм, упакованные в плотную объемноцентрированную кубическую структуру (коэффициент упаковки – 0,64) имежглобулярный объем (0,36 об.
д.), в котором распределены все наночастицыAg. Такое построение структуры нанокомпозита ППК-Ag подтверждаетсярезультатами рентгеноструктурного анализа, АСМ и ЭСМ исследованиями.Глава 4. Исследование энергетических и электрофизических свойствнанокомпозита ППК-AgМетодами катодолюминесценции (КЛ) исследовали энергетические иизлучательные характеристики нанокомпозита ППК-Ag с разным содержанием ираспределениемнаночастицAg.Полученныеспектрыизлученияиконцентрационные зависимости интегрального излучения приведены на рисунках8 и 9.16Рисунок 8. Нормированные спектры катодолюминесценции ППК (1) инанокомпозитов ППК-Ag (2-5) c объемным содержанием Ag равным: 1,4 об.% (2),4,2 об.% (3), 6,3 об.% (4) и 9,1 об.% (5)Рисунок 9. Зависимость интегральной интенсивности испускания нанокомпозитаППК-Ag от содержания наночастиц Ag.При введении наночастиц Ag в полимерную матрицу в нанокомпозитевозникают новые энергетические состояния, характеризующиеся появлениемдополнительных пиков в спектре катодолюминесценции вследствие образованиянового типа полярона с участием валентного электрона атома Ag или межзонныхпереходов электрона в квантовой частице Ag.
На рисунке 8 видно, какизменяются спектры с ростом концентрации наночастиц Ag.17При увеличении содержания наночастиц Ag до 6,3 об.% наблюдаетсязначительноеуменьшениеинтегральнойинтенсивностииспусканиянанокомпозита ППК-Ag, ~ на два порядка (рис. 9). Уменьшение интенсивностиКЛ связано с уменьшением вероятности испускания и с поглощениемиспускаемого света наночастицами Ag.По полученным данным КЛ были рассчитаны величины запрещенной зоны(Eg) и плотность состояний нанокомпозита ППК-Ag при разном содержаниинаночастиц Ag (рис. 10).абРисунок 10.
Зависимость ширины запрещенной зоны (а) и интегральнойплотности состояний (б) в нанокомпозите ППК-Ag от содержания наночастиц Ag.Расчет плотности состояний нанокомпозита ППК- Ag был проведен наоснове спектров испускания, так как интенсивность излучения пропорциональнавероятности переходов и плотности состояний носителей заряда с поправкой напоглощениеAg,выраженнойввидекоэффициента,полученногоизтермодинамических соображений.Минимальное испускание и плотность состояний при 6,3 об.
% Ag внанокомпозите ППК- Ag можно объяснить с одной стороны уменьшением числаквантованных частиц Ag малых размеров (см. рис. 6 ) и с другой - ростомколичества металла. При увеличении концентрации металла до 9,1 об.% размернаночастиц серебра возрастает, а концентрация больших частиц уменьшается, и18одновременно увеличивается число квантованных частиц, что приводит к роступлотности состояний.Электрофизические характеристики нанокомпозита ППК- Ag с разнымсодержанием наночастиц Ag изучали по температурным зависимостям удельногообъемного электрического сопротивления.Выполненные исследования показали существование двух основныхмеханизмов проводимости в нанокомпозите ППК-Ag в зависимости отконцентрации Ag.
При содержании наночастиц Ag до 5,6 об. % проводимость восновном осуществляется по состояниям на π-связях молекул ППК, дальнейшееувеличение содержания наночастиц сопровождается переходом к проводимостипрыжкового типа по состояниям на наночастицах Ag. Тип проводимостиопределяется содержанием наночастиц в нанокомпозите и их размером.Энергетическими, излучательными и электрофизическими свойстваминанокомпозита можно управлять с помощью вариации содержания наночастиц вполимерной матрице.Глава 5.
Исследование оптических свойств нанокомпозита ППК-AgОптическиехарактеристикинанокомпозитаППК-Agвразличныхдиапазонах длин волн определяются как полимерной матрицей, так исодержанием наночастиц Ag, их размером и характером распределения вполимерной матрице, т. е. параметрами дисперсно-наполненной структуры.На основе спектров пропускания и отражения, полученных при нормальномпадении света с естественной поляризацией в диапазоне длин волн 350-2000 нмбыли рассчитаны дисперсионные зависимости действительной (n) и мнимой (k)частей комплексного коэффициента преломления нанокомпозитов ППК-Ag сизвестной толщиной покрытия и разной концентрацией наночастиц Ag.Дисперсионные зависимости для n и k приведены на рисунке 11.19абРисунок 11.
Дисперсионные зависимости действительной (а) и мнимойчастей (б) комплексного коэффициента преломления для ППК (6) инанокомпозита ППК-Ag (1-5) при разном содержании Ag: 1 – 3,5 об.%, 2 – 4,9об.%, 3 – 6,3 об.%, 4 – 7,7 об.% и 5 – 10,5 об.%На дисперсионных зависимостях оптических характеристик видно, чтовведение в ППК наночастиц Ag приводит к изменению значений в диапазоне: дляn - от 1.4 до 2.4 (n ППК =1.69) и k - от 0.24 до 0.6. Диапазон изменения величин nи k позволяет использовать нанокомпозит ППК-Ag в качестве основы длясоздания многослойных интерференционных отрезающих полимерных фильтров.На основе представленных данных были рассчитаны модели фильтров дляпоглощения видимой части спектра и ближней инфракрасной части спектра спропусканием более 70-90% для диапазона длин волн 350 – 2000нм.
Один изтаких фильтр (фильтр ВК7 [(ППК+10,5об. % Ag) ППК] x8) состоит из 16чередующихся слоев диэлектрика ППК и нанокомпозита ППК-Ag с содержаниемсеребра 10,5 об.% на подложке из оптического стекла ВК7 со значениями k=0.001и n = 1.4 для диапазона длин волн 350 - 2000нм.с резкой границей отрезания надлине волны равной 1300нм (рис. 12, спектр 1). По своим характеристикамфильтр не уступает коммерческим многослойным интерференционным фильтрам.На основе ППК и ППК-Ag c содержанием серебра 3,5 об.% былсмоделирован шестнадцатислойный фильтр ВК7 [(ППК+3,5об.
% Ag) ППК] x820для отрезания видимой части диапазона длин волн (рис. 12, спектр 2) с линиейотрезания на 500 нм и пропусканием 70%.Рисунок 13. Спектры пропускания фильтров на основе ППК и ППК-Ag ссодержанием Ag – 10,5 об.% (1) и 3,5 об.% (2)В таблице 1 в качестве примера приведены результаты моделированиясоставов материала, толщин слоев и их количества при создании отрезающихфильтров.Таблица 1. Строение 16-тислойных фильтров%Ag)ППК]x8 и ВК7 [(ППК+3,5об. %Ag)ППК]x8ФильтрВК7 [(ППК+10,5об. % Ag) ППК] x8ТолщинаВК7[(ППК+10,5об.ВК7 [(ППК+3,5об. % Ag) ППК] x8Материал слояТолщина№ слояМатериал слоя1ППК250ППК1002ППК+10,5 об.% Ag1260ППК+3,5 об.% Ag1503ППК140ППК1904ППК+10,5 об.% Ag140ППК+3,5 об.% Ag7015ППК150ППК39016ППК+10,5 об.% Ag1220ППК+3,5 об.% Ag160слоя, нмслоя, нм::Общая толщина фильтра, нм92306070Многослойные фильтры для отрезания в разных диапазонах длин волн наоснове нанокомпозита ППК+ Ag с разным содержанием и распределениемнаночастиц Ag рекомендованы для создания новых систем в оптоэлектронике.21Выводы1.
Методом газофазного криохимического синтеза (ГКС) получены новыенанокомпозиты на основе ППК-Ag с регулируемыми содержанием, размером ираспределением наночастиц Ag в полимерной матрице полипараксилилена,параметрами микроструктуры и энергетической структуры, новым сочетаниемоптических и электрофизических свойств для создания изделий оптоэлектроникинового поколения.2. Изучены закономерности ГКС и показано, что кинетика реакцииполимеризации п-ксилилена зависит от содержания, размера и распределениянаночастиц Ag.
Установлено, что при синтезе ППК и ППК-Ag формируютсяполимерные глобулы, размер которых составляет ~ 200 нм.3. Проведен анализ влияния технологических параметров ГКС наформирование микроструктуры нанокомпозита ППК-Ag. Показано, что ростнаночастиц Ag происходит одновременно с полимеризацией п-ксилилена, а времяначала и окончания реакции полимеризации при введении наночастиц Agизменяется по сравнению с ППК вследствие изменения теплоемкости итеплопроводности системы;4. Впервые методом малоуглового рентгеновского рассеяния доказано, чтопри газофазном криохимическом синтезе с последующей полимеризацией п–ксилилена распределение исходных частиц Ag в нанокомпозитах ППК-Agпроисходит на наноразмерном уровне.
Установлено, что размер наночастиц Ag внанокомпозите ППК-Ag изменяется от 1 до 12 нм. Приведены кривыераспределения наночастиц Ag по размерам в нанокомпозитах. При содержанииAg до ~ 4,2 об. % наблюдается достаточно узкое мономодальное распределениенаночастиц размером ~ 1–4 нм, а с увеличением содержания Ag более 5,6 об. % ихраспределение изменяется на широкое бимодальное, что, по-видимому, связано сагломерацией наночастиц и увеличением их среднего размера с 1 до 10нм.5. Методами зондовой микроскопии, электростатической силовоймикроскопии, атомно-силовой микроскопии, просвечивающей растровоймикроскопии показано, что структура нанокомпозита ППК-Ag построена изполимерных плотноупакованных глобул, а наночастицы Ag в основномраспределены в полимерной матрице между глобулами. Размер глобул ППК внанокомпозите в среднем составляет ~ 200 нм и не зависит от содержания Ag .6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
