Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013. Курс лекций " Основы наноэлектроники"

• Название: Курс лекций " Основы наноэлектроники"
• Анкор: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Дата: 26.04.2018
• Размер: 3.44 Mb.
• Имя файла: Курс лекций НЭ_ч4-ч5_Богач_2013.doc
• Тип: Курс лекций; #18523
• страница: 8 из 17

4.7.Пленки поверхностно-активных веществ.

Борисенко 2, с.45 Добавить из Щуки с.122

4.7.1.Основные определения и механизмы.

Термин пленки Лэнгмюра-Блоджетт (Langmuir-Blodgett films) обозначает моно- или многослойные пленки, перенесенные с границы раздела вода-воздух (в общем случае жидкость-воздух) на твердую подложку. Молекулярная пленка на границе раздела вода-воздух называется Лэнгмюровской пленкой. Первые систематические исследования монослоев из амфифильных молекул на границе раздела вода-воздух были выполнены Лэнгмюром в 1917 г. Первое исследование по осаждению многослойной пленки из длинных цепочек карбоновой кислоты на твердую подложку было проведено К.Б. Блоджетт в 1935 г. Метод физического осаждения LB-пленок при погружении (или подъеме) в жидкость, на поверхности которой находится органическая пленка, называется LB-осаждением. В качестве жидкой среды чаще всего используется деионизованная вода, но могут использоваться и другие жидкости, например, глицерин и ртуть. С поверхности воды должны быть удалены все органические примеси фильтрацией (через фильтр из активированного угля).

Вещества, монослои которых переносятся LB-методом и взаимодействуют с водой (растворяются в воде), смачиваются или набухают, называются гидрофильными. Вещества, которые не взаимодействуют с водой (не растворяются), не смачиваются и не набухают, называются гидрофобными. Обычно амфифильное вещество растворяется и в воде, и в жирах, но в данном случае амфифиль - это молекула, которая не растворяется в воде. Один конец такой молекулы является гидрофильным и поэтому оказывается предпочтительно погруженным в воду, а другой конец является гидрофобным и поэтому предпочтительно находится в воздухе (или в неполярном растворителе). Классический пример амфифильного вещества - стеариновая кислота (С₁₇Н₃₅СО₂Н), в которой длинный гидрокарбонатный «хвост» (С₁₇Н₃₅—) является гидрофобным, а основная (головная) карбоксильная группа (—СО₂Н) является гидрофильной. Так как амфифили имеют один гидрофильный конец («head» - голова), а другой конец гидрофобный («tail» - хвост), они предпочитают располагаться на границах раздела, таких как воздух- вода или масло-вода. По этой причине их еще называют surfactants - поверхностно-активными.

4.7.2.Осаждение пленок ПАВ.

Уникальным свойством LB-пленок является возможность формирования упорядоченной структуры на твердой поверхности из некристаллического материала. Это позволяет переносить монослои на различные подложки. В большинстве случаев используются подложки с гидрофильной поверхностью, когда монослои переносятся в стянутом (retraction) виде. Можно использовать такие материалы, как стекло, кварц, алюминий, хром, олово (последние в окисленном виде, например, Al₂O₃ /Al), золото, серебро и полупроводниковые материалы (кремний, арсенид галия и др.). В типичных экспериментах используются пластины кремния, очищенные кипячением в смеси 30%-ной перекиси водорода и концентрированной серной кислоты (30:70 вес.%) при 90 °С в течение 30 мин. В зависимости от типа обработки поверхности подложке можно придать гидрофильные или гидрофобные свойства. Интересными являются подложки из только что расщепленной слюды. Они имеют атомарно гладкую поверхность и широко используются в LB- экспериментах самостоятельно и для изготовления атомарно плоских Аи- поверхностей.

Известны две разновидности метода переноса монослоев с границы раздела вода-воздух на твердую подложку. Первый, наиболее распространенный вариант - вертикальное осаждение был впервые продемонстрирован Блоджетт и Лэнгмюром. Они показали, что монослой амфифильного вещества может быть осажден с границы раздела вода-воздух посредством вертикального смещения пластины, как показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Схема формирования многослойных пленок методом Ленгмюра-Блоджетт: а - первое погружение; б - первый подъем; в - второе погружение; г - второй подъем
Когда подложка двигается через монослой на границе вода-воздух, монослой может быть перенесен в процессе всплывания (подъема вверх) или погружения (опускания вниз). Монослой обычно переносится в процессе всплывания, если поверхность подложки гидрофильная. Если же поверхность подложки гидрофобная, монослой можно будет перенести в процессе погружения, так как гидрофобные алкильные цепочки взаимодействуют с поверхностью. Если процесс осаждения начинается с гидрофильной подложки, она становится гидрофобной после осаждения первого монослоя, и таким образом второй монослой будет перенесен при погружении. Этот вариант является наиболее общим способом формирования многослойных пленок для амфифильных молекул, в которых головные («head») группы являются сильно гидрофильными (—СООН, —РО₃Н₂ и др.), а другой конец («хвост») - является алкильной цепочкой.

Этот процесс может быть повторен для добавления следующего слоя. Данный тип осаждения Блоджетт назвала Y-типом осаждения, а пленки - Y-пленками. Такие пленки обладают либо гидрофобной, либо гидрофильной поверхностью в зависимости от направления, в котором подложка в последний раз проходила через монослой. Однако, если гидрофобная поверхность (например, поверхность чистого кремния) проходит из воздуха в воду, гидрофобные концы свяжутся с поверхностью.

Можно сконструировать устройство для перемещения подложки из непокрытой пленкой части воды и погружения ее в покрытую пленкой область воды, создавая таким образом последовательность «голова»-«хвост» слоев на подложке. Этот метод называется Х-типом осаждения, а пленки, состоящие из одинаково ориентированных монослоев, называют Х-пленками. Существенным здесь является следующее: во-первых, этот метод осаждения легко контролируется; во-вторых, толщина пленки точно определяется длиной молекулы; и наконец, Х-тип осаждения является нецентросимметричным, что очень важно для устройств нелинейной оптики. Для сильно гидрофильных головных групп этот метод осаждения является наиболее стабильным, так как имеет место взаимодействие между соседними монослоями - «гидрофобный- гидрофобный» или «гидрофильный-гидрофильный», как показано на рис. 4.10.


Рис. 4.10 Схематическое изображение пленок Y-, X- и Z-типа.
Судя по интерференционным полосам, такие пленки могут включать сотни монослоев.

Последовательно нанесенные монослои, по-видимому, не обязательно обладают фиксированной ориентацией. В ставшем классическим исследовании надстроенных X- и Y- пленок стеарата бария с помощью рентгеновских лучей Эхлерт пришел к выводу, что внутренняя ориентация в обоих типах пленок одинакова. Предполагается, что Y- структура более стабильна.

Пленки, которые могут быть сформированы только в процессе погружения, как правило, являются пленками Х-типа. Третий тип осаждения имеет место, когда пленки формируются только при подъеме (пленки Z-типа).

Существуют варианты, в которых головные группы не являются явно гидрофильными (такие как —СООМе), или когда алкильная цепочка заканчивается слабополярной группой (например, —NO₂). В обоих случаях взаимодействие между двумя соседними монослоями является «гидрофильный-гидрофобный», и поэтому эти слои являются менее стабильными, чем в случае Y-типа систем. Отметим, однако, что Х-тип осаждения относительно неполярных амфифильных материалов, таких как сложные эфиры, дает упорядоченные пленки, в то время как Y-тип осаждения
является патологическим. Кроме того, X- и Z-типы осаждения являются нецентросимметричными, и потому важны в случае NLO-применений (нелинейная оптика). Наконец, следует отметить, что Х-, Y-, и Z-типы осаждения не обязательно приведут к Х-, Y-, и Z-типам пленок.

В связи с этим следует ввести понятие коэффициента передачи. Как было уже замечено Блоджетт, количество амфифилей, которое может быть осаждено на стеклянную поверхность, зависит от нескольких факторов. Коэффициент передачи определяется как отношение A_l/A_s, где A_s - площадь подложки, покрытая монослоем, a A_l- уменьшение площади, занятой этим монослоем на границе раздела вода - воздух (при постоянном давлении). Идеальная пленка Y-типа это многослойная система с постоянным коэффициентом передачи, равным единице в обоих случаях осаждения (при движении подложки вверх и вниз). Идеальная пленка Х-типа может быть определена соответственно как слоистая система, в которой коэффициент передачи всегда равен единице при погружении и нулю при подъеме. На практике имеют место отклонения от идеальных формулировок.

На рис. 4.11 представлена схема устройства для осаждения LB-пленок. На этой схеме: а - ванна, обычно изготавливаемая из тефлона; б - движущийся барьер, позволяющий оказывать контролируемое давление на монослой; в - мотор, который двигает барьер; г измерительный прибор, позволяющий контролировать давление на поверхности воды; д - балансирующее устройство; е - мотор с редуктором (коробкой скоростей); ж - твердая подложка. Были разработаны и другие установки с двумя и более ваннами для осаждения.


Рис. 4.11. Схема устройства для осаждения пленок Лэнгмюра-Блоджетт
Органические слои переносятся таким устройством с границы раздела жидкость-газ на твердую поверхность подложки при вертикальном погружении (или подъеме). Как было показано выше, органические молекулы, которые используются при таком осаждении, состоят из двух типов функциональных групп: один конец гидрофильный, например, гидрокарбонатная цепочка, содержащая кислотную или спиртовую группу, растворимую в воде, и другой конец гидрофобный, содержащий, например, нерастворимые гидрокарбонатные группы. В результате молекулы формируют пленку на поверхности воды с гидрофильными концами со стороны воды и с гидрофобными концами со стороны воздуха. Далее такая пленка может быть сжата движущимся барьером до формирования непрерывного монослоя на поверхности жидкости. При движении твердой подложки с определенной скоростью, задаваемой редуктором, органическая пленка прилипает к поверхности твердой подложки, проходя через границу раздела воздух-вода. Так, если стеклянную пластинку поднимать через монослой стеарата бария на воде, то к пластинке прилипает пленка, гидрофобная поверхность которой ориентирована наружу. Поверхность подложки, покрытая пленкой, гидрофобна, причем в значительно большей степени, чем поверхность самого стеарата бария. Если затем пластинку погружать обратно через поверхность, покрытую пленкой, то на ней «спиной к спине» осаждается второй слой.

Несмотря на кажущуюся простоту, изготовление многослойных пленок LB-методом не является простым, легко воспроизводимым процессом. Необходим тщательный контроль за мельчайшими деталями изготовления пленок (атмосферное давление, температура, влажность, наличие загрязнений в воздухе и др.

Другой метод создания LB-многослойных структур - горизонтальный метод подъема (Schaefer’s method), который был разработан Лэнгмюром и Шайфером в 1938г. Метод Шайфера полезен для осаждения очень твердых (жестких) пленок. В этом методе сначала формируется сжатый монослой на границе раздела вода-воздух (1, рис. 4.12). Затем плоская подложка располагается горизонтально на пленку монослоя (2, 3, рис. 4.12). Когда эта подложка поднимается вверх и отделяется от поверхности воды, монослой переносится на подложку (4, рис. 4.12), сохраняя, теоретически, такое же направление молекул (Х-тип).

Однако пока нет публикаций о каких-либо успехах в этом направлении. Можно ожидать, что монослои полимерных амфифильных материалов - хорошие кандидаты для горизонтального осаждения из-за их высокой вязкости.

Как только практические проблемы будут решены, метод Шайфера найдет широкое применение благодаря своим существенным преимуществам. Первое преимущество состоит в том, что скорость горизонтального осаждения не уменьшается с увеличением вязкости пленки, и поэтому можно использовать полимерные пленки, которые дают термически стабильные монослои. Второе достоинство - формирование нецентросимметричных многослойных пленок X- типа, которые могут быть использованы в различных областях применения. Третье, наиболее важное пока преимущество, - это возможность конструировать органические сверхрешетки.

Под сверхрешетками мы понимаем плотноупакованные, упорядоченные, трехмерные молекулярные образования, которые проявляют новые физические свойства и создаются повторением процессов осаждения мономолекулярных слоев различных типов органических молекул.

Рис.4.12. Схематическое изображение метода Лэнгмюра-Шайфера.
Этот способ создания материалов на молекулярном уровне (молекулярная инженерия) представляет интерес, так как позволяет изготовить сверхрешетки с различными функциональными возможностями. Такие сверхрешетки могут быть использованы для конструирования молекулярных интегральных приборов, так как различные слои могут выполнять различные функции, такие, как усиление, оптическая обработка, электронная передача и др.

Несмотря на высокие потенциальные возможности рассмотренных методов они не нашли в настоящее время широкого применения из-за того, что LB-пленки не могут пока конкурировать с отработанными системами построения приборов и процессов их изготовления. Кроме того, остается открытым вопрос о термической и долговременной стабильности этих пленок.