Белорусский национальный технический университет
Приборостроительный факультет
Кафедра «Микро- и нанотехники» Утверждаю
Зав. кафедрой МНТ
___________Ю.М. Плескачевский
Лабораторная работа № 6 по дисциплине «Материалы микро- и наносистемной техники» «Получение мономолекулярных слоев на кремнии с использованием технологии Ленгмюра-Блоджетт»
Составитель
доцент Кузнецова Т. А.
Минск 2013
Цель работы: Получить практические навыки нанесения моно- и мультимолекулярных органических пленок методом Ленгмюра–Блоджетт на твердые поверхности и определения их толщины методом атомно-силовой микроскопии.
1 Теоретическая часть
1.1 Амфифильные молекулы
Ленгмюровские пленки - мономолекулярные пленки нерастворимых амфифильных веществ на поверхности жидкости.
Одни органические молекулы гидрофильны, а другие гидрофобны. Однако, существуют сложные молекулы, разные части которых обладают в этом отношении разными свойствами, а молекула в целом называется амфифильной
Например, в молекуле стеариновой кислоты, имеется полярная головка, образованная группой — СООН, которая может отдать свой протон воде, а сама зарядиться отрицательно. Головка, таким образом, будет удерживаться в воде силой кулоновского притяжения. В то же время гидрофобный углеводородный хвост — С17Н35 выталкивается из воды. Для такой молекулы характерно расположение на границе раздела жидкой и газовой фазы.
К амфифильным веществам относятся мыла (соли жирных кислот), фосфолипиды, из которых строятся биологические мембраны.
Рисунок 1 – Расположение молекулы стеариновой кислоты на поверхности воды
1.2 Межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости и на поверхности раздела фаз
Молекулы, находящиеся на границе раздела фаз, испытывают действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы f1, чем со стороны газообразной f2 (f1 >> f2). Результирующая сила Р, пропорциональной разности сил (f1 - f2), направлена внутрь жидкости.
Эта сила, отнесенная к единице поверхности (1 м2), называется внутренним (молекулярным) давлением pM.
Рисунок 2 - Межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости и на поверхности раздела фаз
Молекулярное давление определяется силой сцепления молекул, оно тем выше, чем полярнее вещество.
1.3 Роль поверхностного натяжения в образовании мономолекулярного слоя
Увеличение поверхности сопровождается увеличением поверхностной энергии системы – энергии Гиббса. Бесконечно малое изменение поверхностной энергии Гиббса dG с бесконечно малым изменением поверхности dS при постоянстве давления p и температуры T дается выражением:
dG=σdS,
где σ - поверхностное натяжение. Таким образом, поверхностное натяжение
σ=(G/dS)| T,p,n = const,
где n – число молей компонентов.
Энергетическое определение: поверхностное натяжение – есть удельная свободная поверхностная энергия Гиббса. Тогда поверхностное натяжение равно работе затраченной на образование единицы поверхности (Дж/м2).
Силовое определение: поверхностное натяжение – это сила, на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить поверхность тела до минимально возможной при данном объеме и условиях (Н/м).
[Дж/м2 = Нм/м2 = Н/м]
Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса системы самопроизвольно стремиться к минимальному значению.
С увеличением температуры значение поверхностного натяжения границы раздела “газ-жидкость” уменьшается