17-ая моложедная школа(2014)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩАЮЩИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ

А. А. Белорус, Ю.М. Спивак, К.Г. Гареев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Воздействие электромагнитного излучения различной природы на технические и биологические объекты является существенным фактором, влияющим на их функционирование. Поскольку в настоящее время значительно возросло количество разнообразных источников электромагнитного излучения (информационные системы, системы связи, навигации и др.) и расширяется используемый частотный диапазон, то весьма актуальными являются проблемы защиты от воздействия электромагнитных сигналов в широкой полосе частот.

Разработка систем защиты, экранирования и поглощения такого рода излучения является довольно сложной задачей. Жесткие технические требования к таким системам обуславливают необходимость поиска комплексных решений поставленной задачи. Такие решения включают в себя использование специальных материалов и покрытий. В современных разработках радиопоглощающих материалов для поглощения энергии электромагнитных волн используются в основном традиционные электропроводящие дисперсные (сажи, графит, металлические частицы), волокнистые (углеродные, металлические, металлизированные полимерные) и магнитные (спечённые ферритовые пластины, порошки ферритов, карбонильное железо и др.) наполнители, применяемые как по отдельности, так и совместно, образуя сложные композиционные структуры.

При исследовании поглощения электромагнитного излучения композитов на основе железо-иттриевого граната в пористом кремнии, было обнаружено заметное поглощение излучения на частоте 2400 МГц. Поэтому целью работы являлось изучение поглощающих способностей слоев пористого кремния и порошков на его основе, в зависимости от различных технологических характеристик методики получения и материала.

В данной работе слои пористого кремния получались в однокамерной электрохимической ячейке в электролите на основе водно-спиртового раствора фтороводорода. С помощью ультразвукового воздействия на полученные образцы, погруженные в дисперсионную среду (диметилкетон), слои пористого кремния измельчались до частиц. На основе полученных дисперсий был разработан метод получения композиционного материала на основе акрилонитрилбутадиенстирола, содержащий порошки пористого кремния.

60

Было выявлено уменьшение расстояния обнаружения микросхемы, погруженной в безэховую камеру, экранирующая верхняя часть которой представляла собой слой пористого кремния. Измерения проводились с использованием нелинейного локатора «Лорнет-24» с диапазоном частот зондирующего сигнала

2400…2483 МГц.

Работа поддержана проектом «Получение и исследование пористых систем, функционализированных наноматериалами, применений в фотонике, сенсорике и медицине» (в рамках госзадания Минобрнауки РФ № 16.2112.2014/К (проектная часть).

61

МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ГАЗОВ, СЕНСОРАМИ СО СТРУКТУРОЙ ВБЛИЗИ ПОРОГА ПРОТЕКАНИЯ

А.А. Бобков 1, В.А. Мошников1, С.С. Налимова1, Б.И. Селезнев2

1Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

2Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого

Внастоящее время полупроводниковые адсорбционные сенсоры на основе оксидов металлов привлекают большое внимание исследователей и находят применение в различных областях: экологическом мониторинге, горном деле, в медицинской не инвазивной диагностике и других областях.

Втаких датчиках, аналитический отклик определяется по изменению электрофизических свойств и зависит не только от состава газочувствительного слоя, но и от особенностей структуры (толщина слоя, размеры зерна, особенности поверхности зерен и др.).

Основными недостатками металлооксидных сенсоров являются отсутствие селективности и малое значение газочувствительности. Основным методам для преодолении данных недостатков является легирование сенсорного слоя различными примесями, а также, сочетание на поверхности активного слоя центров, отвечающих за адсорбцию и активное окисление детектируемого газа.

Другой путь, позволяющий многократно увеличить газочувствительность, является создание газочувствительных слоев с фрактальной структурой вблизи порога протекания.

Целью настоящей работы – развитие модельного представления детектирования газов, сенсорами со структурой в близи порога протекания.

Для наглядного объяснения эффекта резкого увеличения газочувствительности может быть использован фрактал Мандельброта–Гивена. В экспериментах при размещении сенсорного материала в атмосферном воздухе происходит блокировка отдельных проводящих ветвей фрактала вследствие хемосорбции заряженного кислорода на его поверхности. Система стремится в состояние ниже порога протекания, но близкое к нему и характеризуется высоким значением сопротивления. При появлении молекул восстанавливающего газа происходят их адсорбция на поверхности материала и химическое взаимодействие с кислородом. Продукты реакции десорбируются с поверхности, приводя к разблокировке

исокращению путей протекания тока. В идеализированном случае проводимость вследствие данного эффекта может становиться сколь угодно низкой.

Вреальных структурах газочувствительный слой не является одиночным фракталом, а состоит из фрактальных зерен. Поэтому для описания процесса га-

62

зочувствительности в реальных структурах необходимо использовать набора фрактальных зерен с некоторыми усредненными размерами.

В.А. Мошников, С.С. Налимова, Б.И. Селезнев / Физика и техника полупроводни-

ков // -2014. -Т. 48, Вып. 11 –С. 1535-1539.

63

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ СЕЛЕНИДА КАДМИЯ В НЕПОЛЯРНОМ РАСТВОРИТЕЛЕ ОКТАДЕЦЕНЕ

А.М. Бровко, Д.С. Мазинг, Л.Б. Матюшкин, О.А. Александрова

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы – материал с большим потенциалом применения в таких областях как солнечная энергетика, оптоэлектроника, медицинские исследования. Особый интерес представляет группа материалов A2B6, в частности селенид кадмия (CdSe), нанокристаллы которого при изменении размеров, демонстрируют перестройку максимума спектра фотолюминесценции в пределах видимого диапазона.

Синтез нанокристаллов может осуществляться в полярных и неполярных средах, при этом частицы, получаемые в органических растворителях, обычно проявляют лучшие свойства, так как в этом случае синтез возможен при более высоких температурах. В данной работе использована методика быстрой инжекции одного прекурсорного раствора, содержащего ионы кадмия или селена, в другой прекурсорный раствор при температуре более 200°С в присутствии молекул органического стабилизатора. Таким образом, достигается мгновенная нуклеация с последующим ростом образовавшихся зародышей, которые не подвергаются агрегации за счет формирования органической оболочки на их поверхности.

В качестве реакционной среды в данной работе был использован некоординирующий неполярный растворитель октадецен, который обладает достаточно высокой температурой кипения (317°С) и обеспечивает эффективное растворение компонентов реакции. Стабилизация частиц осуществлялась при помощи олеиновой кислоты. В результате работы были получены нанокристаллы CdSe, проявляющие фотолюминесценцию в видимом диапазоне с полушириной пика не превышающей 40 нм и квантовым выходом более 9%. Была рассмотрена возможность управления степенью монодисперсности системы при помощи подвода дополнительных компонентов в ходе реакции.

Работа поддержана Фондом РФФИ, договор № НК 14-02-31680\14.

64

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛЕНОЧНОГО КОМПОЗИТА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК – ПОЛИМЕР

М.В. Виноходова, В.В. Шашко, М.М. Чигилейчик, И.Д. Жабрев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Синтез новых полимерных композитов с сегнетоэлектрическими наполнителями и изучение их свойств являются актуальными из-за растущего практического применения этих материалов в различных областях техники.

Объектом исследования являлся органо-неорганический композит с сегнетоэлектрическим наполнителем – порошком керамики ЦТСНВ-1 в полимерной матрице полибензоксазола.

Целью работы являлось исследование электрофизических параметров композита, а также компонентов композита в широком диапазоне частот: 1кГц…1,5ГГЦ и при различных температурах.

С помощью различных технологических приемов было создано несколько вариантов пленочных образцов композита с различными степенями загрузки и степенями задубливания.

Впроцессе работы проводились измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, проанализированы закономерности изменения диэлектрической проницаемости и фактора потерь при различных температурах и частотах. Результаты измерения для указанных материалов в области частот 1МГц…1,5 ГГц получены впервые. Было выполнено сопоставление релаксационных процессов в композите с релаксационными процессами в компонентах композита, отмечено появление дополнительного пика в спектре диэлектрических потерь для образцов композита. Высказано предположение о различии в параметрах релаксационных процессов в объеме зерна сегнетоэлектрического наполнителя и на его периферии.

Врезультате исследований показано, что полученные образцы композита характеризуются повышенными значениями диэлектрической проницаемости (до 100), высокой температурной стабильностью диэлектрической проницаемости в интервале температур от 0 до 250°С, а также определены пределы стабильности диэлектрической проницаемости по частоте.

Полученные пленочные композиты можно использовать для создания встроенных пленочных конденсаторов в нано- и микроэлектронике.

Авторы выражают благодарность Афанасьеву В.П. и Соколовой И.М. за предоставленные образцы.

65

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И РОСТА КЛАСТЕРОВ АДСОРБИРОВАННЫХ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Д.П. Власюк, В.А. Мошников, Е.Н. Муратова

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Адсорбционные слои газовых молекул на поверхности пористых материалов играют важную роль во всех технологиях, связанных с пористыми структурами. Общепризнанно, что понимание механизма их образования и роста необходимо для создания высокоэффективных устройств для сенсорики и катализа.

Целью работы являлась разработка модели образования и роста адсорбционного слоя газовых молекул на поверхности пористого материала и её программная реализация. При этом анализировалась система пористый кремнийвода, что связано с ранее полученными экспериментальными данными [1], которые удалось описать с помощью предложенной модели.

Разработанная модель, развивающая ранее предложенную [2], основана на предположении, что мениски адсорбированных молекул, образующиеся в местах выхода на поверхность полностью заполненных пор, являются неподвижными центрами зародышеобразования. На этих центрах происходит рост фрактальных агрегатов, который заканчивается формированием перколяционного кластера. Моделирование агрегации производится путём розыгрыша начального положения очередной адсорбированной молекулы и нахождения наиболее вероятного места её присоединения к одному из растущих агрегатов.

Созданный программный продукт позволяет исследовать процесс роста агрегатов, структуру и фрактальные свойства образующегося перколяционного кластера. Результаты моделирования согласуются с экспериментальными данными для системы пористый кремний-вода. Программу можно использовать для оценки перколяционных свойств схожих пористых систем.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках госзадания № 16.2112.2014/К (проектная часть).

1.А.И. Мамыкин Ядерный магнитный резонанс в гидратных слоях пористых кристаллов: автореф. дис. … д-р физ.-мат. Наук (01.04.03) // СПбГЭТУ "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) - Санкт-Петербург, 2001. - 34 с.

2.Е.Н. Муратова, А.И. Шпаковский Компьютерное моделирование роста перколяционного кластера на пористой поверхности // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2013. - В. 5. - С. 28–35.

66

ДАТЧИКИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ СТУПНИ ЧЕЛОВЕКА

Э.А.Даминова

Уфимский государственный авиационный технический университет

Вустройствах для определения давления стопы человека могут применяться различные методы преобразования силы давления в электрический сигнал. Среди них: контактный, реостатный, тензометрический, емкостной, пьезоэлектрический, электромагнитный, оптоэлектронный и другие. Наиболее предпочтительным является метод с применением тензорезистивных датчиков.

Тензодатчики – это гибкие резистивные чувствительные элементы, сопротивление которых пропорционально приложенному механическому напряжению (величине деформации). Строятся такие датчики на основе резистора, наклеенного на гибкую подложку, прикрепленную к объекту измерения, сила давления которого измеряется.

Теоретически обосновано и экспериментально доказано (Смирнова Л.М., 2010, Методология и унифицированная технология оценки функциональной эффективности протезирования и ортезирования пациентов с патологией нижних конечностей), что для внутриобувной регистрации динамики плантарного давления лучше использовать резистивные датчики, изготовленные из композитных материалов с включением углерода, которые обладают меньшей инерционностью за счет менее продолжительного переднего и, особенно, заднего фронта нарастания измеряемого сигнала и большим быстродействием, чем емкостные, и, кроме того, менее чувствительные к температуре, по сравнению с пленочными резистивными датчиками.

Взапатентованных устройствах тензодатчики соединяются с регистрирующей аппаратурой, а именно: осциллографом, самописцем, персональной ЭВМ. При наступании пациента на такие пластины во время ходьбы сопротивление тензодатчиков и, ток, проходящий через них, изменяется пропорционально нагрузке, воспринимаемой платформой, которая в свою очередь зависит от структуры локомоторного акта, например, стереотипа походки.

Принимая во внимание вышесказанное, разрабатываемое устройство будет существенно отличаться от известных на сегодняшний день устройств тем, что оно будет выполнено не в виде платформы, а в виде стелек, которые будут вкладываться в обувь пациента или же крепиться к отдельной паре обуви для снятия измерительной информации. Измерительная схема будет построена на тензорезистивных датчиках.

67

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ 6H-SIC С ФОТОРЕЗИСТИВНЫМ МАСКИРУЮЩИМ ПОКРЫТИЕМ

В.Ю. Данилов, А.В.Серков, А.В. Афанасьев, В.А. Ильин

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

На основе карбида кремния возможно создание полупроводниковых приборов, которые устойчивы, к высоким температурам, агрессивным средам и радиации, благодаря серии ценных качеств самого материала, среди которых выделяются: широкая запрещенная зона, высокая, теплопроводность и устойчивость к внешним действиям (термическому, химическому и корпускулярному). Микропрофилирование поверхности карбида кремния является одной из ключевых технологических операций при изготовлений микроэлектронных приборов на основе этого материала. Однако значительная энергия связи, характерная для данного алмазоподобного материала, делает малоэффективными традиционные методы травления карбида кремния. Классическое травление карбида кремния в расплавленных солях или щелочах реализуется при высокой температуре, при этом имеют место значительные трудности при маскировании и низкое разрешение микрорельефа. Поэтому применяют «сухие» методы профилирования поверхности, с помощью которых можно не только получить заданный рисунок, но эффективно очистить поверхность от загрязнений.

При создании некоторых полупроводниковых изделий требуется неглубокая мезаструктура с невертикальным наклоном стенок. Следовательно, в таких случаях целесообразно применять в качестве маскирующего покрытия – фоторезистивную плёнку, а не металлическую. Так как необходимо при напылении металлической маски контролировать не только толщину, но и качество плёнки. Это уменьшает количество технологических операций, является более надёжным и менее времязатратным при производстве полупроводникового изделия. Поэтому получение качественных мезаструктур с невертикальным углом наклона стенки является очень важной задачей.

В данной работе изучалась возможность получения неглубоких мезаструктур на карбиде кремния с использованием фоторезистивной маски (фоторезист AZ 1518). Все эксперименты проводились на гексагональном политипе карбида кремния 6H-SiC, выращенном методом Лейли. У карбида кремния присутствует эффект полярности грани, поэтому были проведены эксперименты по травлению разных граней – грани (0001) Si и грани (000-1) С. В результате эксперимента выяснилось, что скорость травления грани (0001) Si в условиях с идентичными технологическими параметрами на 15-20% больше, чем скорость травления гра-

68

ни С (000-1). В результате проведенных экспериментов был получен ряд зависимостей угла наклона стенки мезаструктуры и шероховатости поверхности от задаваемых параметров технологического процесса реактивного ионноплазменного травления. Глубина травления, угол наклона стенок и качество поверхности исследовались с помощью FIB – станции “HeliosNanoLab”.

69