Введение 3
Глава 1. Температура стеклования тонких азополимерных пленок 5
1.1 Азополимеры 5
1.2 Физика процессов стеклования полимеров 8
1.3 Методы определения температуры стеклования 12
1.4 Методы исследования температуры стеклования с помощью атомно-силовой микроскопии 18
1.5 Зависимость температуры стеклования полимерных пленок от толщины 22
Глава 2. Измерение температуры стеклования с помощью атомно-силовой микроскопии 26
2.1 Работа атомно-силового микроскопа 26
2.2 Методы и объекты исследования 28
2.2 Определение толщины пленок 30
2.3 Определение температуры стеклования 32
Результаты и выводы 35
Литература 36
Приложение
Одним из перспективных видов наноматериалов являются тонкие полимерные пленки (1-100 нм). Они представляют элементную базу полимерной наноэлектроники, которая связана с созданием новых устройств и функциональных материалов. Тонкие полимерные пленки находят применение в таких устройствах как органические солнечные батареи [1], органические светодиоды [2], в полимерном оптоволокне [3]. Особый интерес представляют фоточувствительные азополимеры, изучение которых является одной из важных задач в области современной фотоники. Азополимеры представляют класс материалов, где к полимерной матрице ковалентно присоединены молекулы азохромофора (азокрасителя) (рис. 1а) [4]. Эти молекулы являются сильно анизотропными и обладают большим дипольным моментом, который может ориентироваться в процессе фотоизомеризации [5]. Этот эффект используется при создании систем записи и хранения оптической информации [6], а так же при создании оптических переключателей [7]. С другой стороны, в таких пленках возможно создание анизотропии путем электро- или фото-ориентирования дипольных моментов молекул [8]. Благодаря этим эффектам материалы могут обнаруживать такие оптические свойства, как: дихроизм [9], двулучепреломление [10], генерация второй гармоники [11]. В связи с тем, что с уменьшением толщины пленки физико-химические свойства меняются, одна из проблем, возникающая в этой сфере - стабильность тонких полимерных пленок. Одним из наиболее важных параметров, характеризующих полимерное соединение, является температура стеклования, при которой происходит переход из стеклообразного состояния в вязкотекучее. Существует большое число методов определения температуры стеклования полимерных пленок, а именно: эллипсометрия [12], дифференциальная сканирующая калориметрия [13], динамический механический анализ [14], комбинационное рассеяние света [15], рассеяние Мандельштама-Бриллюэна [16]. Многочисленные исследования обнаружили снижение температуры стеклования с уменьшением толщины пленки. Не смотря на то, что эти методы позволяют очень точно измерить температуру стеклования толстых пленок (>100 нм), для измерения температуры стеклования тонких пленок этим методы не работают. На этой почве были разработаны новые методы определения температуры стеклования, в основе которых лежат измерение вязкоупругих свойств полимера с помощью атомно-силовой микроскопии. К таким методам относятся: регистрация изменения модуля Юнга с температурой образца [17], а так же измерение силы адгезии в зависимости от температуры полимерной пленки [18]. Особенностью АСМ методов является возможность выполнять локальные измерения в нанометровом масштабе. Но эти методы могут оказать разрушающее воздействие на пленку, в связи с чем мы предлагаем новый метод определения температуры стеклования с помощью атомно-силовой микроскопии. Этот метод основан на построении зависимости фазы колебаний кантилевера от температуры при нагреве образца.
Цель работы: определение температуры стеклования тонких полимерных пленок в зависимости от их толщины с помощью атомно-силовой микроскопии
В представленной работе:
1. Был продемонстрирован новый метод определения температуры стеклования тонких полимерных пленок с помощью атомно-силового микроскопа.
2. Были измерены температуры стеклования азополимерных пленок разных толщин (45-450 нм).
3. Была построена зависимость температуры стеклования от толщины пленок.
Метод был проверен на широко изученном полимере ПММА. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими методами, используемыми для определения тепловых переходов в тонких полимерных пленках. Во - первых, это неразрушающий метод анализа на молекулярном уровне, во- вторых, поскольку переход регистрируется за счет изменения фазы колебаний кантилевера, метод является высокочувствительным и способен очень точно определить температуру перехода. В ходе построения зависимости температуры стеклования от толщины пленки была замечено, что температура стеклования убывает с уменьшением толщины пленки, что коррелирует с работами других авторов, которые так же обнаружили убывающую зависимость для других полимеров.
