Наши журналы
Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ И НАПОЛНИТЕЛЕЙ GAAS И GAAS

Научная статья
Алиев М.И.
Гаджиева Н.Н.
Ахмедова Г.Б.
Выпуск: № 6 (37), 2015
Опубликована:
2015/07/15
PDF

Алиев М.И.1, Гаджиева Н.Н.2,Ахмедова Г.Б.3

1Академик, Институт Физики НАН Азербайджана, 2Кандидат физ.-мат. наук, Институт Радиационных Проблем НАН Азербайджана, 3Аспирант, Институт Физики НАН Азербайджана

МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИТОВ  НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА  ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ И НАПОЛНИТЕЛЕЙ    GAAS  И GAAS<TE>

Аннотация

Методом атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности композитных пленок ПЭВП-х GaAs и ПЭВП-х  GaAs<Te> (х=1-10 масс%). Показано, что  модификация рельефа  поверхности композитных пленок зависит от вида и концентрации вводимого наполнителя. Установлено, что при  значениях х=2-6 масс% происходит структурирование поверхности с максимальной степенью кристалличности.

Ключевые слова: композитные пленки, атомно-силовая микроскопия (АСМ), трехмерные изображения (3D), гистограммы

 Aliev M.I.1, Gadzhieva N.N.2, Ahmadova G.B.3

1Academician, Institute of Physics NAS Azerbaijan, 2Ph.D in Physics and mathematics, Institute Radiation Problems of NAS Azerbaijan,  3Postgraduate student, Institute of Physics NAS Azerbaijan

A MICROSCOPIC STUDY OF THE SURFACE TOPOGRAPHY OF COMPOSITES BASED ON HIGH DENSITY POLYETHYLENE AND FILLERS GAAS AND GAAS <TE>

Abstract

Using atomic force microscopy investigated the surface morphology of composite films HDPE's GaAs and HDPE's GaAs <Te >(x = 1-10 mass %). It was shown that the modification of the surface topography of composite films depends on the type and concentration of filler introduced. It was found that the values of x = 2-6 mass % is structuring the surface with a maximum degree of crystallinity.

Keywords: composite film, atomic force microscopy (AFM), three-dimensional images (3D), histogram

Введение

Получение полимерных композиций с интересными электрофизическими, спектрально-люминесцентными и другими свойствами в значительной степени зависит от природы наполнителя, от формы, размера и характера распределения частиц, а также от степени взаимодействия между составляющими компонентами. Обычно новые наполнители приводят к расширению возможностей практического применения композитного материала, так как характер агрегации частиц наполнителя, условия кристаллизации и ряд других факторов изменяют морфологию полимерной матрицы, и в результате получаемые на их основе композиционные материалы приобретают уникальные свойства [1-2]. В этом аспекте особый интерес представляют композиты на основе полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) с полупроводниковыми соединениями GaAs и GaAs<Te>. Это вызвано тем, что данные полупроводники имеют своеобразную кристаллическую и зонную структуры и являются перспективными материалами в микро и оптоэлектронике [2-3]. Композитные пленки ПЭВП- GaAs широко используются в качестве нейтронных детекторов [4-5]. Выбор ПЭВП (C2nH2n+2) в качестве полимерной матрицы обусловлен  хорошей изученностью данного материала [6-8]. Следует отметить, что в литературе фактически отсутствуют сведения по изучению композитов   ПЭВП-GaAs и ПЭВП-GaAs<Te>. Подобные исследования  впервые проводились нами,  результаты которых   представлены в работах [9-10]. В  настоящей работе   проведено АСМ – исследование  рельефа поверхности для ПЭВП и композитных ПЭВП - хGaAs и ПЭВП - хGaAs<Te>  пленок (х =1-10 масс%).   Получены трехмерные изображения поверхности и кривые распределения элементов поверхностных изображений по размерам - гистограммы. Исследование проводилось без механической  обработки.

Методика эксперимента

Из порошков ПЭ и полупроводников   GaAs и    GaAs<Te>. путем механического смешивания компонентов в лабораторном смесителе изготовлена гомогенная смесь ,из которой методом  горячего прессования были получены пленки толщиной 50-100 мкм. Поверхности исходных и композитных пленок   исследовались на атомно силовом микроскопе   СЗМУ-Л5 в режиме “MD mode”[11] . Этот режим имеет ряд преимущества по сравнению со стандартным режимом АСМ. Его применение исключает повреждение острия зонда или его застраивание во время сканирования и позволяет получать топографию поверхности со сложным рельефом. В эксперименте нами использовался зонд конической формы из вольфрама (коэффициент упругости кантилевера  ~15 нм,  угол конусности острия зонда ~27°).

Результаты и их обсуждение

На атомно-силовом микроскопе (АСМ) отслежены   поверхности пленок полиэтилена высокой плотности  (ПЭВП) и изменения, происходящие на поверхности  композитных пленок ПЭВП- GaAs    и ПЭВП-   GaAs < Te>. С целью выявления динамики морфологических изменений поверхности получены трехмерные (3d) поверхностные изображения и их гистограммы исходных и композитных пленок, которые представлены на рис.1,2.

14-07-2015 09-26-13

Рис.1 - Трехмерные  АСМ - изображения поверхности ПЭВП (а) и композитов ПЭВП- 5масс%GaAs (б), ПЭВП-5масс %GaAs<Te>(в)

В качестве примера, на рис.1 показаны трехмерные АСМ-изображения     поверхности  исходных пленок ПЭВП (а) и композитных пленок ПЭВП- 5масс%GaAs  (б)   и  ПЭВП-5 масс% GaAs<Te>(в),  соответственно. Выбор данной концентрации обусловлен   тем, что при значении х= 2-8 масс%  происходит эффективное структурирование поверхности композитных пленок, и степень кристалличности увеличивается 1,2-1,4 раза [9] . Как видно из трехмерных изображений, поверхности  исходных (чистых) образцов характеризуются наличием равномерно распределенных структурных (биографических) дефектов, обусловленных предысторией получения полиэтиленовых пленок (рис.1а). Рельеф поверхности свидетельствует о шероховатостях в пределах до  60  нм.  Анализ полученных результатов показывает, что добавки GaAs (б) и  GaAs<Te>(в) приводит к значительным  изменениям морфологии поверхности и сглаживанию дефектов поверхности образцов. При этом четко видны центры кристаллизации. Причем, степень дефектности образцов в зависимости от типа вводимого  наполнителя различается, а высота нано частиц (зерен) для добавки GaAs   по сравнению с  GaAs<Te>    уменьшается в  1,5  раза .Степень дефектности материалов оценивается по величине плотности  дислокаций ,представляющей собой линейные дефекты структуры пленки, что определено количеством и размером нано частиц элементов поверхностных изображений в зависимости от вида наполнителя.

14-07-2015 09-26-31

Рис 2 - Гистограммы поверхностных изображений ПЭВП (а) и композитов ПЭВП- 5масс%GaAs (б), ПЭВП-5масс %GaAs<Te>(в)

Как показывают гистограммы АСМ-изображений поверхностей исходных  пленок ПЭВП ( рис.2а) и композитных пленок ПЭВП- GaAs (2б) и ПЭВП- GaAs<Te> (2в), если в формировании поверхности     полиэтилена  в основном участвуют наночастицы (зерна) разного вида, преимущественно с размерами от 35 до 150нм(число которых составляет100ед.(рис.2а) то гистограмма поверхности  композитных пленок ПЭВП- GaAs (2б) и ПЭВП- GaAs<Te> (2в)характеризуются широкой областью распределения одного вида с размерами от 20 до 160 нм (рис.2а). Число наночастиц при этом составляет от 30 до 160ед.

На основе трехмерных поверхностных изображений и их гистограмм выявлено, что  морфологические изменения рельефа поверхности полимерных композитов с полупроводниковыми  наполнителями существенно зависят как от вида наполнителя, так и его концентрации

Заключение

Таким образом, показана возможность применения АСМ-метода при изучении морфологических изменений поверхности исходных ПЭВП  и композитных пленок ПЭВП- GaAs и ПЭВП- GaAs<Te>. Получены трехмерные  (3D)  поверхностные изображения и их гистограммы  исходных и композитных пленок. На основе АСМ -  данных выявлено, что динамика изменения рельефа поверхности этих образцов зависит от вида вводимого наполнителя и его концентрации.

Литература

  1. Galikhanov M.F., Eremeev D.A., Deberdeev R.Y.  Elektret effect in Compounds of Polystyrene with Aerosil,  Russian Journal of Appl.Chem. -2003. - №10. -С. 1651-1654.
  2. Трахтенберг Л.И., Герасимов Г.Н., Потанов В.К.  Нанокомпозиционные металлополимерные пленки: сенсорные, каталитические  и электрофизические свойства, Вестник Московского университета.-2001.-№5.- С.325-331.
  3. Эфендиев Э.Г., Гаджиева Н.Н., Ильяслы Т.М., Аббасова Р.Ф., Яхьяев Ф.Ф. Структура полиэтиленовых пленок,содержащих наночастицы меди, Журнал прикладной спектроскопии.-2006.- № 3.-С. 408-410.
  4. McGregor D.S., Klann R.T., Gersch H.K., Yong Hong Yang. Thin-film–coated bulk GaAs detectors for thermal and fast neutron measurements, Nuclear Instruments and Methods. -2001. -A466.-С. 126-141.
  5. McGregor D.S., Vernon S.M., Gersch H.K., Markham S.M., Wojczuk S.I., Wehe D.K. Self-biased Boron-10 coated high purity epitaxial GaAs thermal neutron detectors, IEEE Transactions on Nuclear Science. -2000. - № 4.-С.1364-1370 .
  6. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Зейналов Ш.А., Османова С.С., Аллахяров Э.А.  . Короноэлектреты на основе композитов полиэтилен высокой плотности с полупроводниковым наполнителем TeGaS2 ,Электронная обработка материалов. -2010. - №6. -С.91-96.
  7. Мамедов Г.А., Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Зейналов Ш.А.  Исследования рельефа поверхности атомно-силовым методом и диэлектрических свойств композиций полиэтилена высокой плотности и добавок TeGaS2, Электронная обработка материалов. -2011. -№6. – С.94-98.
  8. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Османова С.С., Нуриев М.А., Аллахяров Э.А.   Зарядовое состояние композиций на основе композитов полиэтилена с полупроводниковым наполнителем TeInSe2, Электронная обработка материалов.-2007. - № 2.- С. 84-88.
  9. Aliev M.I., Gadzhieva N.N., Ahmadova G.B., Fourier-IR study of the high-density polyethylene composites with semiconductor fillers GaAs and GAAs<Te>,International Journal of Composite Materials. – 2014. - №1. - P.1-3.
  10. Алиев M.A., Гаджиева Н.Н., Ахмедова Г.Б., Оптические спектры поглощения композитных пленок полиэтилена высокой плотности с полупроводниковыми наполнителями GaAs и GaAs<Te>, Transactions of Azerbaijan National Academy of Sciences (physics and astronomy).-2014. -  №2. – С. 43-46.
  11. Миронов В. Основы сканирующий зондовой микроскопии.- М: Техносфера.2004. -С.197-201.

References

  1. Galikhanov M.F., Eremeev D.A., Deberdeev R.Y. Elektret effect in Compounds of Polystyrene with Aerosil, Russian Journal of Appl.Chem. -2003. - №10. -S. 1651-1654.
  2. Trahtenberg L.I., Gerasimov G.N., Potanov V.K. Nanokompozicionnye metallopolimernye plenki: sensornye, kataliticheskie i jelektrofizicheskie svojstva, Vestnik Moskovskogo universiteta.-2001.-№5.- S.325-331.
  3. Jefendiev Je.G., Gadzhieva N.N., Il'jasly T.M., Abbasova R.F., Jah'jaev F.F. Struktura polijetilenovyh plenok,soderzhashhih nanochasticy medi, Zhurnal prikladnoj spektroskopii.-2006.- № 3.-S. 408-410.
  4. McGregor D.S., Klann R.T., Gersch H.K., Yong Hong Yang. Thin-film–coated bulk GaAs detectors for thermal and fast neutron measurements, Nuclear Instruments and Methods. -2001. -A466.-S. 126-141.
  5. McGregor D.S., Vernon S.M., Gersch H.K., Markham S.M., Wojczuk S.I., Wehe D.K. Self-biased Boron-10 coated high purity epitaxial GaAs thermal neutron detectors, IEEE Transactions on Nuclear Science. -2000. - № 4.-S.1364-1370 .
  6. Godzhaev Je.M., Magerramov A.M., Zejnalov Sh.A., Osmanova S.S., Allahjarov Je.A. . Koronojelektrety na osnove kompozitov polijetilen vysokoj plotnosti s poluprovodnikovym napolnitelem TeGaS2 ,Jelektronnaja obrabotka materialov. -2010. - №6. -S.91-96.
  7. Mamedov G.A., Godzhaev Je.M., Magerramov A.M., Zejnalov Sh.A. Issledovanija rel'efa poverhnosti atomno-silovym metodom i dijelektricheskih svojstv kompozicij polijetilena vysokoj plotnosti i dobavok TeGaS2, Jelektronnaja obrabotka materialov. -2011. -№6. – S.94-98.
  8. Godzhaev Je.M., Magerramov A.M., Osmanova S.S., Nuriev M.A., Allahjarov Je.A. Zarjadovoe sostojanie kompozicij na osnove kompozitov polijetilena s poluprovodnikovym napolnitelem TeInSe2, Jelektronnaja obrabotka materialov.-2007. - № 2.- S. 84-88.
  9. Aliev M.I., Gadzhieva N.N., Ahmadova G.B., Fourier-IR study of the high-density polyethylene composites with semiconductor fillers GaAs and GAAs<Te>,International Journal of Composite Materials. – 2014. - №1. - P.1-3.
  10. Aliev M.A., Gadzhieva N.N., Ahmedova G.B., Opticheskie spektry pogloshhenija kompozitnyh plenok polijetilena vysokoj plotnosti s poluprovodnikovymi napolniteljami GaAs i GaAs<Te>, Transactions of Azerbaijan National Academy of Sciences (physics and astronomy).-2014. - №2. – S. 43-46.
  11. Mironov V. Osnovy skanirujushhij zondovoj mikroskopii.- M: Tehnosfera.2004. -S.197-201.