Микроскопическое исследование рельефа поверхности композитов на основе полиэтилена высокой плотности и наполнителей GaAs и GaAs

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микроскопическое исследование рельефа поверхности композитов на основе полиэтилена высокой плотности и наполнителей GaAs и GaAs<te>

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 (C_2nH_2n+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.

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°).

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.

композитный пленка кристалличность

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

В качестве примера, на рис. 1 показаны трехмерные АСМ-изображения поверхности исходных пленок ПЭВП (а) и композитных пленок ПЭВП - 5 масс % 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.

Рис. 2. Гистограммы поверхностных изображений ПЭВП (а) и композитов ПЭВП - 5 масс % GaAs (б), ПЭВП-5 масс % 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 150 нм (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 160 ед.

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

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.

Размещено на Allbest.ru