CC BY
0
УДК681.518.3
СОЗДАНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ И НАНОКОМПОЗИТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ SCTS С РАЗЛИЧНЫМИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Р.Б. Салихов, И.Н. Муллагалиев, А.Д. Остальцова, К.В. Важдаев
Рассмотрены исследования композитных и нанокомпозитных тонкопленочных структур на основе сукцинамида хитозана, полученных с использованием различных наполнителей, таких как оксид графена, одностенные углеродные нанотрубки и углеродные адсорбенты. Исследования проводились с использованием циклической вольт-амперометрии, спектроскопии электрохимического импеданса и атомно-силовой микроскопии. Полученные результаты были использованы для создания полевых транзисторов на основе исследованных пленок в качестве транспортного слоя. Проведена оценка подвижности носителей заряда и получены следующие значения: /(SCTS)=0,173 см2/В-с; /i(SCTS-GÜ)=0,509 см2/Вс; /(SCTS-CP)=0,269 см2/Вс; /(SCTS-CB)=0,351 см2/В-с; /(SCTS-SWCNT)=0,713 см2/В с.
Ключевые слова: тонкие пленки, сукцинамид хитозана, Oxide Graphene, Carbopack, CarboblackC, SWCNT, вольтамперометрия, импеданс, полевой транзистор, подвижность носителей заряда.
С каждым годом количество научных исследований в различных областях растет, и это приводит к развитию новых технологий. Особый интерес вызывает полимерная электроника, которая обладает высокой энергоэффективностью и основана на применении тонких пленок нанораз-мерной толщины новых полимерных соединений [1 - 2]. Для ее создания используются различные органические соединения, но они не всегда обладают достаточной электропроводностью [3 - 4], поэтому требуются композитные и нанокомпозитные структуры на основе полимеров.
Гибкая органическая электроника начиналась с полупроводниковых устройств, основанных на тонких пленках органических материалов, а затем прошла путь до гибридных и нанокомпозитных материалов. Эти материалы представляют собой передовые материалы, которые повышают производительность устройств и снижают производственные затраты по сравнению с традиционными неорганическими материалами [5]. Наноком-позиты являются быстро растущими материалами в современном производстве благодаря своим уникальным характеристикам и находят применение в авиационной промышленности и других областях. Выбор материалов, которые входят в состав нанокомпозитов, очень важен для получения желаемых результатов [6]. Нанокомпозиты с углеродными нано-трубками и полимерными матрицами представляют собой класс передовых материалов с большим потенциалом применения в электронике благодаря
их высоким тепловым, электрическим и механическим свойствам [7]. Недавний повышенный интерес к графену уменьшил масштабы использования углеродных нанотрубок в электронике. Нанокомпозиты поли-мер/графен состоят из полимерных матриц и графена, и представляют собой передовые материалы, которые заинтересовали исследователей в разработке новых устройств и систем [8].
Выбор токопроводящего полимера имеет критическое значение при создании гибкой органической электроники, поскольку не все полимеры обладают необходимой биосовместимостью. Натриевая соль сукцинамида хитозана (SCTS) представляется перспективным материалом для создания композитов с необходимыми физико-химическими характеристиками, такими как хорошая электропроводность, биосовместимость, простота изготовления и нетоксичность. SCTS, являющийся производным хитозана, широко применяется в различных областях жизнедеятельности, таких как пищевая промышленность, косметика и биотехнология. [9-12]. В последнее время SCTS также становится всё более популярным веществом, используемым в различных исследованиях. SCTS успешно применялся для создания тонкопленочных нанокомпозитных мембран (TFN) [13].
В данном исследовании целью было создание и изучение композитных и нанокомпозитных тонкопленочных структур на основе SCTS с различными углеродсодержащими наполнителями, такими как оксид гра-фена (GO), углеродные нанотрубки (SWCNT), углеродные адсорбенты CarboblackC (CB) и Carbopack (CP). Создание эффективных сенсорных платформ с улучшенными электроаналитическими параметрами [14-18] и полевых транзисторов с хорошими выходными и передаточными характеристиками указывает на перспективность практического использования представленных тонкопленочных структур в современной электронике [19].
Методы исследования
Из композитов на основе SCTS (SCTS-GO, SCTS-CP, SCTS-CB, SCTS-SWCNT) были созданы образцы полевых транзисторов (рис. 1). Образцы полевых транзисторов сделаны на стеклянной подложке, содержащую слои ITO (затвор). Перед созданием пленок диэлектрика подложки отжигались в печи при 350 °С. В качестве диэлектрика были созданы пленки AlOx 300 нм. Пленки AlOx создавались центрифугированием из раствора при 2000 об/мин на 30 сек, и отжиг в печи 1 час при 350 °С. Поверх подзатворного диэлектрика были нанесены два алюминиевых электрода сток и исток 500 нм. В область зазора методом центрифугирования был нанесен слой полупроводникового материала четырех видов, перечисленных выше. Зазор между контактами сток и исток составил 50 мкм, а длина зазора 2 мм. При измерении вольтамперных характеристик были использованы следующие приборы: блок питания Mastech HY3005D-2, муль-тиметр Tektronix DMM-4020 в роли амперметра.
Рис. 1. Структура экспериментального полевого транзистора
Также были исследованы морфологии поверхности пленок. АСМ изображения (рис. 2-6) получены с помощью Капоеёиеа1ш II.
10 12 14 16 18 мкм
Рис. 2. АСМ-изображение SCTS. Размеры сканирования 20 на 20 мкм
I
10 12 14 16 18 мкм
Рис. 3. АСМ-изображение SCTS-СР. Размеры сканирования 20 на 20 мкм
Рис. 4. АСМ-изображение 8СТ8-СВ. Размеры сканирования 20 на 20 мкм
2 4 6 8 10 12 14 16 18 мкм
Рис. 5. АСМ-изображение 8СТ8-СО. Размеры сканирования 20 на 20 мкм
Рис. 6. АСМ-изображение SCTS-SWCN. Размеры сканирования 20 на 20 мкм
Используя программу О^ёёюп, были рассчитаны среднеквадратичные шероховатости поверхности пленок по площади 20 на 20 мкм (табл. 1) и представлены на диаграмме (рис. 7). Полученные значения шероховатости соответствуют величинам эффективной площади поверхно-
Таблица 1
Значения шероховатости образцов_
Образцы 20 на 20 мкм Ср. квад. шерох., нм
SCTS 44
SCTS-СР 63
SCTS-СВ 75
SCTS-GO 52
SCTS-SWCNT 106
120 г-100 -80 -
£
= 60 -С" (Л
40 -20 -0 -
СХТЗ СХТЗ- СХТЗ- СХТЗ-ГО СХТЗ-ОУНТ
Углерод Pack Углерод Black
Рис. 7. Значения шероховатостей образцов
Вольтамперные характеристики полевых транзисторов сняты по схеме измерений с общим истоком на открытом воздухе при комнатной температуре. Управление выходным током осуществляется при положительном смещении на затворе, что свидетельствует об электронном типе проводимости в исследованных нанокомпозитных пленках. При использовании пленок из SCTS комплекса без добавок мы имеем самую низкую по-движость носителей заряда (рис. 8 - 12).
а
б
-2 -1 0123456789 10
Рис. 8. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора с активным слоем из SCTS а
б
-2 -1 0123456789 10
Рис. 9. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора с активным слоем из SCTS-GO
а
б
-2 -1 0123456789 10
Рис. 10. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора с активным слоем из SCTS-CP а
б
Рис. 11. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора с активным слоем из SCTS-CB
Рис. 12. Выходные (а) и передаточные (б) характеристики полевого транзистора с активным слоем из SCTS-SWCNT
Определим подвижность носителей заряда полученных полевых транзисторов:
I
DS
W г —C
L v
Vr
V - V -'-DS.
VG Vth ~
(1)
V
DS
где W - ширина канала; L - длина канала; C - емкость на квадрат площади подзатворного диэлектрика AlOX (для толщины 500 nm C=7,1 nF/cm2); VG -
напряжение на затворе; VDS - напряжение между стоком и истоком; Vth -пороговое напряжение.
Расчет показал, что подвижности носителей заряда имеют следующие значения, показанные в табл. 2.
Таблица 2
Образцы Подвижность, см2/В-с
SCTS 0,173
SCTS-GO 0,509
SCTS-CP 0,351
SCTS-CB 0,269
SCTS-SWCNT 0,713
Погрешность рассчитанных значений составила около 10 %. Значения подвижности оказались в 3-4 раза выше по сравнению со значениями подвижности, полученными для пленок SCTS.
Крутизна вольтамперных характеристик была определена при AU от U=4V до U=10V и соответствующих токах. Оказалось, что для полевых транзисторов на основе (SCTS) она составила К=0,2, (SCTS-GO) - К = 0,91, (SCTS-CP) - K=0,78, (SCTS-CB) - K=0,59. Выявлено большее влияние управляющего напряжения в транзисторах с транспортным слоем SCTS-SWCNTK=1,7. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) TESCAN MIRA LMS и программного обеспечения TESCAN Essence были получены изображения поверхности исследуемых полимеров (рис. 13).
а)
Рис. 13. СЭМ-изображения микроструктур образцов пленок: а - SCTS; б - SCTS-CB; в - SCTS-CP; г - SCTS-GO; д - SCTS-SWCNT
Заключение
По полученным результатам CV и EIS можно сделать вывод, что разработанные композитные и нанокомпозитные сенсоры обладают достаточно высокой скоростью переноса электронов и высокой эффективной площадью поверхности, что даёт возможность их применения в дальнейших исследованиях для создания высокоэффективных сенсорных платформ. На основе исследованных пленок созданы полевые транзисторы и измерены их выходные и передаточные характеристики. Проведена оценка подвижности носителей заряда и получены следующие значения:
^(SCTS)=0,173 см2/Вс; ^(SCTS-G0)=0,509 см2/Вс; ^(SCTS-CP)= 0,269 см2/В с; ^(SCTS-CB)=0,351 см2/В с; KSCTS-SWCNT)=0,713 см2/В с.
Исследование выполнено в рамках государственного задания (код научной темы FZWU-2023-0002).
Список литературы
1. Li P., Zhang Y., Zheng Z. Polymer-assisted metal deposition (PAMD) for flexible and wearable electronics: principle, materials, printing, and devices // Advanced Materials. 2019.Vol.31(37). Р. 1902987.
2. The structural factors affecting the sensory properties of polyaniline derivatives / A. N. Andriianova (and others) // Sustainable Energy & Fuels. 2022. Vol.6(14). Р.3435-3445.
3. 0ptically controlled field effect transistors based on photochromic spi-ropyran and fullerene C60 films / A.R. Tuktarov (and others) // Mendeleev Communications. 2019. Vol.29(2). Р.160-162.
4. Bunakov A., Lachinov A., Salikhov R. Current-voltage characteristics of thin poly (biphenyl-4-ylphthalide) films // In Macromolecular Symposia. 2004. Vol. 212 (1). P. 387-392. Weinheim: WILEY-VCH Verlag.
5. Hybrid and nanocomposite materials for flexible organic electronics applications / S. R. P. Silva (and others) // Handbook of flexible organic electronics: materials, manufacturing and applications. 2014. Vol. 57. Р.110-117.
6. Bello S.A., Durowaye S., Kolawole M.Y. Electronics, optical, and thermal management applications of nanocomposites in aeronautics // Polymeric Nanocomposites with Carbonaceous Nanofillers for Aerospace Applications. 2022. Vol.187.
7. Electrically and thermally conducting nanocomposites for electronic applications / W.E. Jones Jr [and others] // Materials. 2010. Vol.3 (2). Р.1478-1496.
8. Kausar A. Potential of polymer/graphene nanocomposite in electronics. American Journal of Nanoscience and Nanotechnology Research // 2018. Vol.6(1). Р. 55-63.
9. Modification of Chitosan and Chitosan Succinate by Surfactants and Investigation of Their Properties / L.R. Harutyunyan, R.S. Harutyunyan, G.A. Gabrielyan, E.V. Lasareva // Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2019. Vol.578. Р.123622.
10. The impact of polymers' supramolecular structure on water vapour sorption and drug release from films on the basis of some polysaccharide / A. Shurshina // Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2021. Vol. 63. Р. 102560
11. Possibility of producing semisolid dosage forms based on aqueous solutions of chitosan succinamide in the presence of modification additives /
R.Y. Lazdin (and others) // Russian Journal of Applied Chemistry. 2020. Vol. 93 (1). Р. 65-71.
12. Influence of supramolecular organization on some characteristics of chitosan succinamide films produced from aqueous solutions / A.S. Shurshina (and others) // Polymer Science, Series A.2020. Vol. 62. Р. 422-429.
13. Novel Thin Film Nanocomposite Membranes Based on Chitosan Succinate Modified with Fe-BTC for Enhanced Pervaporation Dehydration of Isopropanol / K. Burts [and others] // Membranes. 2022. Vol.12(7). Р. 653.
14. Influence of copolymer composition on the properties of soluble poly (aniline-co-2-[2-chloro-1-methylbut-2-en-1-yl] aniline) s / L.R. Latypova (and others) // Polymer International. 2023. Vol. 72(4). Р. 440-450.
15. The structural factors affecting the sensory properties of polyaniline derivatives / A.N. Andriianova [and others] // Sustainable Energy & Fuels. 2022. Vol. 6(14). Р. 3435-3445.
16. Covalent Binding of Fullerene С60 to Strained Polycyclic Hydrocarbons: Promising Organic Field-effect Transistors Based on them / A. R. Akhmetov [and others] // Current Organic Chemistry. 2023. Vol. 27(14). Р.1277-1287.
17. Synthesis of Hybrid Molecules Based on Strained Polycyclic Hydrocarbons and C60 Fullerene: Application of Thin Films Based on Them in Organic Electronics / A.R. Akhmetov, R.I. Aminov, I.N. Mullagaliev, R. B. Salikhov // Russian Journal of General Chemistry. 2023. Vol. 93(9). Р. 2193-2201.
18. Nanocomposite thin-film structures based on a polyelectrolyte complex of chitosan and chitosan succinamide with SWCNT / R.B. Salikhov [and others] // Letters On Materials. 2023. Vol. 13(2). Р. 132-137.
19. Nanocomposite thin film structures based on polyarylenephthalide with SWCNT and graphene oxide fillers / R.B. Salikhov (and others) // Mendeleev Communications. 2022. Vol.32(4). Р.520-522.
Салихов Ренат Баязитович, д-р физ.-мат. наук, профессор, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский университет науки и технологий,
Муллагалиев Ильнур Наилевич, ассист, ilnur9409@,mail.ru, Россия, Уфа, Уфимский университет науки и технологий,
Остальцова Анастасия Дмитриевна, ассист, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский университет науки и технологий,
Важдаев Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Уфа, Уфимский университет науки и технологий; Уфимский государственный нефтяной технический университет
CREATION AND STUDY OF COMPOSITE AND NANOCOMPOSITE THIN FILM STRUCTURES BASED ON SCTS WITH VARIOUS CARBON-ONTAINING FILLERS FOR ECOLOGICAL MONITORING OF THE ENVIRONMENT
R.B. Salikhov, I.N. Mullagaliev, A.D. Ostaltsova, K.V. Vazhdaev
Currently, the development of composite and nanocomposite materials based on natural polymers is attracting increasing attention from scientists. In particular, chitosan suc-cinamide, which is a modified biopolymer, has good biocompatibility, biodegradability and electrical conductivity, which allows it to be used as a functional material for creating various electronic devices. This article discusses studies of composite and nanocomposite thin-film structures based on chitosan succinamide obtained using various fillers such as graphene oxide, single-walled carbon nanotubes and carbon adsorbents. The research was carried out using cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and atomic force microscopy.
Key words: thin films, chitosan succinamide, Oxide Graphene, Carbopack, Car-boblackC, SWCNT, voltammetry, impedance, field effect transistor, mobility of charge carriers.
Salikhov Renat Bayazitovich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, [email protected], Russia, Ufa, Ufa University of Science and Technology,
Mullagaliev Ilnur Nailevich, assistant, [email protected], Russia, Ufa, Ufa University of Science and Technology,
Ostaltsova Anastasia Dmitrievna, assistant, [email protected], Russia, Ufa, Ufa University of Science and Technology,
Vazhdaev Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, va-zhdaevk@,gmail.com, Russia, Ufa, Ufa University of Science and Technology; Ufa State Petroleum Technological University
Reference
1. Li P., Zhang Yu., Zheng Z. Polymer-based Metal Deposition (PAMD) for flexible and wearable electronics: principle, materials, printing and devices // Modern materials. 2019.Volume 31(37). p. 1902987.
2. Structural factors affecting the organoleptic properties of polyaniline derivatives / A. N. Andrianova [et al.] // Sustainable energy and fuel. 2022. Volume 6(14). pp.3435-3445.
3. Optically controlled field-effect transistors based on photochromic films of spiro-pyran and fullerene C60 / A. R. Tuktarov [et al.] // Mendeleev communications. 2019. Volume 29(2). pp.160-162.
4. Bunakov A., Lachinov A., Salikhov R. Volt-ampere characteristics of thin films of poly (biphenyl-4-iphthalide) // Macromolecular symposia. 2004. Volume 212 (1). pp. 387392. Weinheim: WILEY University.
5. Hybrid and nanocomposite materials for use in flexible organic electronics / S. R. P. Silva [et al.] // Handbook of flexible organic electronics: materials, production and application. 2014. Volume II. 57. p.110-117.
6. Bello S. A., Durovai S., Kolavole M. Yu. Application of nanocomposites in electronics, optics and thermoregulation in aeronautics // Polymer nanocomposites with carbon-containing nanofillers for aerospace applications. 2022. Volume 187.7.
Electrically and thermally conductive nanocomposites for electronic applications / W. E. Jones Jr. [et al.] // Materials. 2010. Volume 3 (2). pp.1478-1496.
8. Kausar A. The potential of the polymer/graphene nanocomposite in electronics. American Journal of Nanoscience and Nanotechnology Research // 2018. Volume 6(1). pp. 55-63.
9. Modification of chitosan and chitosan succinate by surfactants and investigation of their properties / L.R. Harutyunyan, R.S. Harutyunyan, G.A. Gabrielyan, E.V. Las-Areva // Colloidal surf. Physico-chemical. Eng. Asp. 2019. Volume 578. p.123622.
10. The influence of the supramolecular structure of polymers on the sorption of water vapor and the release of drugs from films based on certain polysaccharides / A. Shurshina // Scientific and Technical Journal of Drug Delivery. 2021. Volume 63. p. 102560
11. The possibility of obtaining semi-solid dosage forms based on aqueous solutions of chitosan succinamide in the presence of modifying additives / R.Y. Lazdin [et al.] // Russian Journal of Applied Chemistry. 2020. Volume 93 (1). pp. 65-71.
12. The influence of supramolecular organization on some characteristics of succinamide chitosan films obtained from aqueous solutions / A. S. Shurshina [et al.] // Science of Polymers, series A.2020. Vol. 62. pp. 422-429.
13. New thin-film nanocomposite membranes based on chitosan succinate modified with Fe-BTC for improved initial dehydration of isopropanol / K. Burts [et al.] // Membranes.
2022. Volume 12(7). p. 653.
14. The effect of the copolymer composition on the properties of soluble poly (ani-line-co-2-[2-chloro-1-methylbutyl-2-en-1-yl] aniline) s / L. R. Latypova [et al.] // International Polymer Journal. 2023. Volume 72.(4). pp. 440-450.
15. Structural factors affecting the organoleptic properties of polyaniline derivatives / A. N. Andrianova [et al.] // Sustainable energy and fuel. 2022. Volume 6(14). pp. 3435-3445.
16. Covalent binding of fullerene C60 with stressed polycyclic hydrocarbons: promising organic field-effect transistors based on them / A. R. Akhmetov [et al.] // Modern organic Chemistry. 2023. Volume 27(14). pp.1277-1287.
17. Synthesis of hybrid molecules based on stressed polycyclic hydrocarbons and fullerene C60: the use of thin films based on them in organic electronics / A. R. Akhmetov, R. I. Aminov, I. N. Mullagaliev, R. B. Salikhov // Russian Journal of General Chemistry. 2023. Volume 93(9). 2193-2201.
18. Nanocomposite thin-film structures based on a polyelectrolyte complex of chitosan and chitosan succinamide with OUNT / R. B. Salikhov [et al.] // Letters on materials.
2023. Volume 13(2). pp. 132-137.
19. Nanocomposite thin-film structures based on polyarylene phthalide with fillers from OUNT and graphene oxide / R. B. Salikhov [et al.] // Mendeleev communications. 2022. Volume 32(4). pp.520-522.
