
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

Модификация электрофизических свойств пленки полиэтилентерефталата ионно-плазменным осаждением наноразмерных покрытий на основе углерода

Работа №	29140
Тип работы	Диссертация
Предмет	технология производства продукции
Объем работы	140
Год сдачи	2005
Стоимость	500 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	402

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

Введение…………………………………………………………..…………5
Глава 1. Анализ электрофизических свойств пленки ПЭТФ,
ионно-плазменных способов получения нанослоев
на основе углерода и процессов электризации пленки
под воздействием частиц газоразрядной плазмы…………….….11
1.1. Пленка ПЭТФ – ее свойства и применение в
качестве материала электронной техники………..…….……..11
1.2. Покрытия на основе углерода. Структура и
ионно-плазменные способы получения………………….…...19
1.3. Образование электретного состояния в пленке ПЭТФ
под действием потоков заряженных частиц………………….33
1.4. Постановка задачи……………………………...……………..40
Глава 2. Объекты и методы исследования…………………………..……42
2.1. Объекты исследования и способы их получения…………...42
2.1.1. Получение наноразмерного покрытия на основе
углерода на поверхности пленки ПЭТФ……………...45
2.2. Методы исследования химического состава, структуры
и электрофизических свойств пленки ПЭТФ с
наноразмерным покрытием на основе углерода,
сформированным на ее поверхности………………….….….48
2.3. Выводы по главе 2.……………………………….………….61
Глава 3. Исследование электрофизических свойств пленки
ПЭТФ, модифицированной осаждением наноразмерных
покрытий на основе углерода ...…………………………….…62
3.1. Модификация поверхности пленки ПЭТФ под воздействием пучка положительных ионов……………......62
3.2. Исследование состава и структуры наноразмерного
покрытия на основе углерода, полученного из
циклогексана……………………………………………..….72
3.3. Влияние наноразмерного покрытия на основе
углерода на электрофизические свойства ПЭТФ…………78
3.4. Образование электретного состояния в пленке ПЭТФ
под воздействием ионных пучков и в процессе
осаждения наноразмерного покрытия на основе
углерода………………………………………………….....102
3.5. Выводы по главе 3…………………………………………110
Глава 4. Применение пленки ПЭТФ с наноразмерным
покрытием на основе углерода в приборах
электронной техники………………………………………….113
4.1. Использование пленки ПЭТФ с наноразмерным
покрытием на основе углерода в качестве
диэлектрического материала в приборах электронной
техники………………………………………………………113
4.2. Использование пленки ПЭТФ с наноразмерным
покрытием на основе углерода в качестве
электретного материала…………………….……………..119
4.2.1. Пленка ПЭТФ с наноразмерным
покрытием на основе углерода как
активный элемент электроакустического
преобразователя ……………………………………..119
4.2.2. Биологически активный электретный
материал – пленка ПЭТФ с наноразмерным4
покрытием на основе углерода………………....…..127
4.3. Выводы по главе 4……………………….………………….130
Заключение.…………………………………………..…………….….….131
Список литературы………………………………………..…….………..134
Приложения………………………………………………………………..154

Введение

Полимеры широко применяются на практике в качестве
диэлектрических и электретных материалов. Хорошие диэлектрические
характеристики (удельное электрическое сопротивление, электрическая
прочность) полимеров позволяют использовать их в качестве изоляционных
материалов в электронных приборах, конденсаторах, машинах высокого
напряжения, генераторах, а также в составе применяемых для этих целей
композитов. Многообразие полимерных композиций и возможность
получать на их основе материалы с широким диапазоном физико-химических
свойств привели к успешному использованию их в микроэлектронике и
радиотехнике в качестве конструкционного материала. Так, например, для
микросистемной техники требуются конденсаторы различных типов с
высокой удельной емкостью, что достигается за счет увеличения рабочих
напряжений и диэлектрической проницаемости полимерных пленочных
изоляторов между обкладками.
Основными требованиями, предъявляемыми к диэлектрическим
материалам на основе полимеров, являются: высокая электрическая и
механическая прочность, устойчивость к тепловым и электрическим полям,
химическая и радиационная стойкость, низкая себестоимость.
Электретные свойства полимерных материалов широко используются в
электроакустических устройствах (пьезоэлектрические преобразователи), в
воздухоочистительных устройствах (электретные фильтры), в ксерографии
(электрографические материалы) и т.д. Основными характеристиками
электретного материала является величина электрического заряда и его
стабильность. Широкое применение электретные материалы нашли в
электроакустических преобразователях – устройствах, преобразующих
энергию акустических волн в электрическую энергию, в которых электрет
выступает в роли мембраны – основного элемента преобразователя,
определяющего его чувствительность. Следует отметить, что высокой6
чувствительностью, обладают электретные электроакустические
преобразователи на основе пьезоэлектрической керамики и полимерных
пьезоэлектриков. В то же время, представляет интерес замена выпускаемых,
в связи с технологическими трудностями, в малых количествах и потому
дорогостоящих материалов на более дешевые, выпускаемые
промышленностью в больших объемах.
Известно, что полиэтилентерефталатная пленка (ПЭТФ) широко
применяется в изделиях электронной техники как дешевый диэлектрический
и электретный материал. Однако как электретный материал пленка ПЭТФ
значительно уступает сегнетоэлектрическим материалам по способности к
электризации объема, а как диэлектрический материал имеет достаточно
высокое удельное сопротивление, но неустойчива к длительным
электрическим нагрузкам в полях более 100 кВ/мм.
Одним из способов изменения электрофизических свойств пленочных
материалов является использование тонких наноразмерных покрытий,
сформированных методами осаждения в вакууме. В настоящее время
большой научный и практический интерес вызывают наноразмерные
покрытия на основе углерода, нанесенные на поверхность полимерных
материалов различными методами. По сравнению с полимерами покрытия на
основе углерода обладают значительно более высокой термической,
химической и электрической стабильностью и имеют широкий диапазон
электрофизических свойств, связанных с молекулярной структурой и
содержанием атомов различных химических элементов (фтор, хлор, водород
и т.д.). Специфика атома углерода состоит в его способности образовывать
прочные межатомные связи, характеризующиеся различным типом
гибридизации электронных орбиталей. Связи в решетке алмаза
характеризуются sp3–гибридизацией орбиталей, тогда как графиту
соответствует sp2–гибридизация, а карбину – sp–гибридизация. Варьируя
содержание различных форм углерода в покрытии или вводя в его состав
различные примеси, можно получить большое количество7
углеродсодержащих соединений с широким набором химических,
механических, электрофизических и оптических свойств. Это позволяет
использовать наноразмерные слои на основе углерода, обладающие
стабильными электрофизическими свойствами, в качестве модифицирующих
покрытий.
Для получения покрытий на основе углерода толщиной от 2нм и более,
имеющих высокую адгезию к полимеру, используют плазменные
технологии. Формирование такого покрытия на полимере с помощью ионностимулированного осаждения из газовой фазы является одним из видов
ионно-плазменных технологий, позволяющим работать при температурах
<200°С, когда появляется текучесть ПЭТФ.
При обработке пучком ионов поверхность ПЭТФ подвергается
воздействию заряженных частиц, что, как известно, должно приводить к
возникновению электретного состояния в его объеме. В этой связи
несомненный интерес представляет исследование величины и стабильности
заряда, образующегося при нанесении наноразмерного покрытия на основе
углерода на поверхность пленки ПЭТФ.
Цель работы – исследование влияния наноразмерного покрытия на
основе углерода, нанесенного на поверхность пленки ПЭТФ ионноплазменным методом, на электрофизические свойства полимера.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• Изучение влияния ионных пучков на структуру и свойства поверхности
пленки ПЭТФ.
• Исследование химического состава и структуры осажденного
наноразмерного покрытия на основе углерода.
• Изучение влияния наноразмерного покрытия на основе углерода на
электрофизические свойства пленки ПЭТФ (тангенс угла диэлектрических
потерь, диэлектрическая проницаемость, объемная и поверхностная
проводимость образцов, объемный и поверхностный заряд, напряжение
пробоя).8
• Исследование возможности применения пленки ПЭТФ с наноразмерным
покрытием на основе углерода в приборах электронной техники.
Решение поставленных задач потребовало использования, с одной
стороны, комплекса современных физико-химических методов исследования
структуры наноразмерных покрытий на основе углерода (ИК-спектроскопия,
электронная спектроскопия для химического анализа, атомно-силовая
микроскопия), с другой стороны, комплекса применяемых в мировой
практике методик исследования электрофизических свойств полимеров
(температурные зависимости электрической проводимости, тангенса угла
диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, а также
термостимулированной деполяризации и методики для измерения величины
поверхностного заряда).
Основные положения, выносимые на защиту:
• Результаты исследования химического состава и электрофизических
свойств наноразмерного покрытия на основе углерода, сформированного
ионно-стимулированным осаждением из паров циклогексана на
поверхности пленки ПЭТФ.
• Изменение диэлектрических характеристик (тангенс угла
диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость) и объемной
электропроводности пленки ПЭТФ при нанесении наноразмерного
покрытия на основе углерода и его влияние на величину и стабильность
аккумулированного в пленке ПЭТФ гомозаряда.
• Влияние наноразмерного покрытия на основе углерода на вероятность
перехода металл-диэлектрик.
• Изменение электрической прочности пленки ПЭТФ модифицированной
наноразмерным покрытием на основе углерода.
• Результаты исследования чувствительности электроакустического
преобразователя на основе пленки ПЭТФ, модифицированной
наноразмерным покрытием на основе углерода.9
• Влияние технологии ионно-плазменной модификации поверхности ПЭТФ
с помощью наноразмерного покрытия на основе углерода на
антибактериальную активность пленки.
Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и
приложений. В первой главе рассматриваются свойства пленки ПЭТФ как
полимерного диэлектрика и ее применение, проведен анализ структур на
основе углерода и методов их получения, рассмотрены вопросы
взаимодействия поверхности с заряженными частицами газоразрядной
плазмы и ионного пучка. Показано, что под воздействием заряженных частиц
в полимерном диэлектрике образуется электретное состояние, связанное с
образованием в его поверхностном слое гомозаряда.
Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследования.
Дано описание метода ионно-стимулированного осаждения из газовой фазы
циклогексана, с помощью которого получают наноразмерное покрытие на
основе углерода на поверхности пленки ПЭТФ, и методов исследования
структуры и свойств полученных образцов.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

На основании проведенной работы были сделаны следующие выводы:
1. Предварительная ионная обработка в смеси азота и кислорода
поверхности пленки ПЭТФ вызывает разрушение карбонильных групп,
приводящее к гидрофобизации образцов. Поверхность становится
неполярной, наблюдается также изменение рельефа пленки,
заключающееся в росте шероховатости.
2. Показано, что наноразмерное покрытие на основе углерода имеет
неоднородную структуру, включающую полимерные линейные цепи (–
СН2–)n, шестичленные циклогексановые кольца и кислородсодержащие (в
т.ч. кетоновые) группы. Оно содержит также аморфную фазу углерода а–
С, характеризующуюся структурой с координационным числом 4, тем же
что и у алмаза. Наноразмерное покрытие на основе углерода обладает
полупроводниковыми свойствами; на кривой температурной зависимости
тангенса угла диэлектрических потерь наблюдается максимум, связанный
с подвижностью макромолекул в наноразмерном покрытии на основе
углерода.
3. Показано, что после нанесения на поверхность пленки ПЭТФ
наноразмерного покрытия на основе углерода происходит увеличение
диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и
рост объемной электропроводности образца в два раза в температурном
интервале 20–200°С.
4. Установлено что, наноразмерное покрытие на основе углерода толщиной
10–40 нм приводит к росту интенсивности инжекции электронов, в
результате чего наблюдается рост величины гомозаряда, образующегося в132
поверхностных слоях пленки ПЭТФ. Однако, с ростом толщины покрытия
увеличивается ширина потенциального барьера, разделяющего металл и
диэлектрик, приводя к падению вероятности перехода металл–диэлектрик.
5. Методом термостимулированной релаксации заряда показано, что в ходе
предварительной ионной обработки в смеси азота и кислорода
поверхность пленки ПЭТФ приобретает положительный заряд ∼400
нКл/см2. В процессе последующего нанесения покрытия на основе
углерода положительный заряд пленки значительно увеличивается и
достигает значений порядка 2000 нКл/см2. Образовавшийся заряд является
стабильным и его релаксация наблюдается выше температуры 200°С.
6. Вынос образцов ПЭТФ на воздух сразу после нанесения наноразмерного
покрытия на основе углерода приводит к адсорбции на поверхности
отрицательных ионов из атмосферы, которые удерживаются в дальнейшем
за счет сил электростатического взаимодействия и образуют
компенсирующий заряд. В результате поверхность пленки состоит из
отдельных положительно и отрицательно заряженных областей, заряд
которых изменяется в пределах от +5 до –5 нКл/см2.
7. Наноразмерное покрытие на основе углерода, осажденнщое на
поверхности пленки ПЭТФ (толщиной 20 мкм), оказывает значительное
влияние на процесс пробоя пленки, приводя к росту критического
значения электрического поля (напряженность поля в котором
наблюдается пробой) в 1,5-1,7 раза с увеличением толщины покрытия от
10 до 120 нм соответственно. Это, в свою очередь, позволяет значительно
увеличить номинальные параметры и срок службы электронных
устройств, изготовленных на основе пленки ПЭТФ, например,133
металлопленочных конденсаторов и изоляционных частей
высоковольтных приборов.
8. Изготовленные на основе пленки ПЭТФ модифицированной
наноразмерным покрытием на основе углерода электроакустические
преобразователи имеют высокую чувствительность на уровне
чувствительности преобразователей, работающих на основе известных
пьезоэлектриков и в частности полимерных пьезоэлектриков, таких как
поливинилиденфторид (ПВДФ). Применение в электронных приборах,
принцип действия которых основан на преобразовании механической
энергии в электрическую, модифицированной пленки ПЭТФ, позволит
существенно снизить себестоимость этих приборов.
9. Высокое значение термически стабильного заряда, которое имеет электрет
на основе пленки ПЭТФ с наноразмерным покрытием на основе углерода,
позволяет использовать его в качестве материала с бактерицидными
свойствами.

Литература

Пак В.М. Успехи в создании и применении композиционных
материалов на основе полимерной пленки для изоляции
вращающихся электрических машин/ Электротехника – 2001, №6,
с.15–21.
2. Драчев А.И., Пак В.М., Гильман А.Б., Кузнецов А.А. К вопросу об
увеличении длительной электрической прочности композиционного
электроизоляционного материала с полиэтилентерефталатной
пленкой ПЭТ–Э/ Электротехника – 2003, №4, с.35–39.
3. Энциклопедия полимеров. – М.: изд-во «Советская энциклопедия»,
1977, с.111–115.
4. Емельянов О.А. Электротепловая неустойчивость полярного
полимерного диэлектрика за областью температуры стеклования/
Письма в журнал «Технической физики» – 2001, т.27, вып.16, с.32–
39.
5. Емельянов О.А. Особенности работоспособности
металлопленочных конденсаторов в форсированных режимах/
Электротехника – 2002, №4, с.6–10.
6. T.A. Ezquerra, F.J. Balta-Calleja, H.G. Zachmann. Dielectric relaxation
of amorphous random copolymers of poly(ethylene terephthalate) and
poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate)/ Acta Polymerica – 1993,
v.44, is.1, p.18–24.
7. Драчев А.И., Пак В.М., Гильман А.Б., Дорофеева Т.В., Шклярова
Е.И., Кузнецов А.А. Влияние обработки в разряде на
диэлектрические свойства пленки ПЭТФ/ Электротехника – 2002,
№4, с.17-20.135
8. Драчев А.И., Гильман А.Б., Пак В.М., Кузнецов А.А. Воздействие
тлеющего низкочастотного разряда на пленки
полиэтилентерефталата/ Химия высоких энергий – 2002, том 36, №2,
с.143-147.
9. E. Ito, Y. Kobayashi. Effects of adsorbed water on physical properries of
polyesters/ Jornal of Applied Polymer Science – 1980, v.25, is.10,
p.2145–2157.
10. Сесслер Г. Электреты. – М.: Мир, 1983, 486 с.
11. Лившиц И.М. О структуре энергетического спектра и состояниях
неупорядоченных систем/ Успехи Физической Науки – 1964, т.83.
№4, с.617–663.
12. Лившиц И.М. О структуре энергетического спектра и состояниях
неупорядоченных систем./ Успехи физичекой науки – 1964, т.83,
№4, с.617–663.
13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. – М.: Наука, 1974,
363 с.
14. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных
полупроводников. – М.: Наука, 1979, 416 с.
15. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты.– М.: Химия, 1984, 184 с.
16. Драчев А.И. Образование полимерных электретов под воздействием
низкотемпературной плазмы тлеющего разряда/ Химия высоких
энергий – 2003, т.37, №5, с.342–347.
17. Gerhard-Multhaupt R., Haardt M., Eisenmenger W., Sessler G.M.
Electric-field profiles in electron-beam-charged polymer electrets/
Journal of physics: Applied Physics – 1983, v.16, p.2247–2255
18. Тюнхаут И. Термически стимулированный разряд электретов/
Электреты – М.: Мир, 1983, с.105-270.136
19. Бойцов И.Г., Рычков А.А. Природа ловушек носителей заряда в
полипропиленовых короноэлектретах/ Тезисы докладов
Международной научной конференции по физике диэлектриков
«Диэлектрики-97» – С.-Пб., 1997, с.85-87.
20. Ficher P. Electrical Condaction in Polyolefins/ Journal of Electrostatics –
1978, v.4, p.149-173.
21. Драчев А.И., Пак В.М., Гильман А.Б., Кузнецов А.А. Поляризация
пленок полиэтилентерефталата в электрическом поле/
Электротехника – 2003, №4, с.39–41.
22. Рычков А.А., Бойцов В.Г. Электретный эффект в структурах
полимер-металл. – С.Пб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2000,
250 с.
23. Закревский В.А., Сударь Н.Т. Влияние объемного заряда на
закономерности электрического разрушения полимеров/ Журнал
технической физики – 1996, т.66, №4, с.105–113.
24. Закревский В.А., Сударь Н.Т. Влияние объемного заряда на
напряженность электрического поля в полимерных диэлектриках/
Журнал технической физики – 1990, т.60, №2, с.66–71.
25. Durand–Drouhin O., Lejeune M., Benlahsen M. Growth and bonding
structure of hard hydrogenated amorphous carbon thin films deposited
from an electron cyclotron resonance plasma/ Journal of Applied Physics
– 2002, v.91, №2, p.867-873.
26. Khamchukov Yu.P., Bobrovskii V.V., Shashkob S.N., Sychev I.Yu.,
Pacuro J. Carbon–based coatings deposited by pulsed plasma source and
processed by ionized gas fluxes/ IV International Conference Plasma
Physics and Plasma Technology Contributed Papers – Minsk, Belarus,
September 15-19, 2003, v.1, p.574-577.137
27. Орлов М.Л., Кочурихин В.Е., Герасимович С.С., Слепцов В.В.,
Елинсон В.М. Пористая структура и свойствами пленок а–С:Н/
Поверхность, физика, химия, механика – 1989, № 6, с.65-67.
28. Сокол О.Ю., Ивановский Г.Ф., Слепцов В.В., Елинсон В.М.,
Герасимович С.С. Пленки а–С:Н: размер графитных кластеров и
электропроводность/ Микроэлектроника – 1990, №1, с.103-105.
29. Елинсон В.М. Создание искусственного потенциального рельефа и
формирование многослойных квантоворазмерных структур на
основе сверхтонких слоев а–С:Н/ Материалы симпозиума
«Алмазные пленки и пленки родственных материалов» – Харьков,
2001, с.125-128.
30. Орлов М.Л., Слепцов В.В., Елинсон В.М., Кочурихин В.Е. Влияние
условий получения пленок углерода, осажденных из углеродной
плазмы на пористую структуру/ Материалы и приборы
электротехники. Межвузовский сборник – М., 1988, с.99-103.
31. Слепцов В.В., Ивановский Г.Ф., Елинсон В.М., Кондрашов П.Е.,
Герасимович С.С., Баранов А.М., Поляков В.И. Пленки α-С:Н,
полученные ионно-стимулированными методами: свойства и
области применения/ Материалы международной конференции
"Микроэлектроника-90" – Минск, 1990, с.21-23.
32. Oppedisano С, Tagliaferro A. Relationship between sp2 carbon content
and E04 optical gap in amorphous carbon-based materials/ Applied
Physics Letters – 1999, v.75, p.3650-3652.
33. Луцев Л.В., Яковлев С.В., Сиклицкий В.И. Электронный транспорт
в наноразмерной кластерной структуре углерод-медь/ Физика
твердого тела – 2000, т.42, вып.6, с.1105–1112.138
34. Иванов–Омский В.И., Звонарева Т.К., Фролова Г.Ф.. Аномальное
двухфотонное поглощение в нанокристаллах алмаза в среде
аморфного углерода/ Физика твердого тела – 1999, т.41, вып.2,
с.319–324.
35. Lacerda R.G., Marques F.C. Hard hydrogenated carbon films with low
stress/ Applied Physics Letters – 1998, v.73, p.617-619.
36. Sattel S., Robertson J., Ehrhardt H. Effects of deposition temperature on
the properties of hydrogenated tetrahedral amorphous carbon/ Journal of
Applied Physics – 1997, v.82, p.4566-4576.
37. Chhowalla M., Robertson J., Silva S.R.P., Amaratunga G.A.J., Milne
W.I., Koskineen J. Influence of ion energy and substrate temperature on
the optical and electronic properties of tetrahedral amorphous carbon (taC) films/ Journal of Applied Physics – 1997, v.81, p.139-145.
38. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию
полупроводников. – М: Высшая школа, 1982, 521с.
39. Гусев М.Б., Бабаев В.Г., Хвостов В.В, и др. Электронная структура
пленок α-С:Н/ Поверхность: Физика, химия, механика – 1987, №11,
с.104-109.
40. Сокол О.Ю., Ивановский Г.Ф., Слепцов В.В. и др. Пленка α-С:Н:
размер графитных кластеров и электрофизические свойства/
Микроэлектроника – 1990, т.19, вып.1, с.103-105.
41. Buerki P.R., Leutwyler S. CO2-laser-indused gas-phase synthesis of
micron-sized diamond powders: resent resalts and future developments/
Proceedings of the Third сonference of the new diamond scienсe and
technology (ICNOST-3) jointly with the 3 rd Europen conference on139
diamond, diamond-like and related coatings – Heidelberg, Germany,
1992, p.174.
42. Слепцов В.В. Макромолекулярное строение пленок углерода/
Технология и конструирование в электронной аппаратуре – 1997,
№1, с.10-14