CC BY
35
COATINGS TIN
Abstract. In this article researches are carried out and the technology of hardening of molds of molding under pressure by ion-plasma coverings TiN is developed. Specialized tooling has been developed and pilot tests of coated molds have been carried out. Key words:plasma, technology, steel, mold, properties, testing.
ЦЕНТРИФУГИРОВАННЫЕ ПЛЕНКИ ИЗ КВАНТОВЫХ
ТОЧЕК CdS Новиков Евгений Александрович, аспирант (e-mail: [email protected]) Олеся Игоревна Шутяева, студентка ([email protected]) Александр Павлович Кузьменко, д.физ.-мат.н., профессор Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
(e-mail: [email protected])
В статье предложены методики получения ультратонких пленок на основе квантовых точек CdS с помощью микроцентрифуги «MiniSpin» и выбора оптимального режима их формирования путем анализа монохрома-тизированных конфокальных изображений. Переменными параметрами являлись частота вращения центрифуги, объем наносимого на подложку раствора, длительность вращения. По полученным оптическим конфокальным изображениям поверхностей сформированных пленок были построены семейства кривых, позволившие установить как сплошность и регулярность их структуры, так и рациональные режимы формирования.
Ключевые слова: квантовые точки, сульфид кадмия, центрифугирование, пленки, конфокальная микроскопия.
Уже достигнутый уровень миниатюризации в целом ряде таких элементов и устройств как накопители информации, солнечные панели, сенсоры и прочие, не удовлетворяет все возрастающим требованиям. Решения возникающих проблем могут быть получены, в том числе, путем синтеза материалов для формирования ультратонких вплоть до наноразмерных пленок [1], [2]. Особое значение отводится получению квантовых точек (КТ) [3] и их нанесению в виде пленочных структур с использованием достаточно широкого арсенала методов, среди которых можно выделить метод Лен-гмюра - Блоджетт и центрифугирование, в которых структурирование на-нослоев подчиняется процессам самоорганизации [4], [5]. В этой связи эти два метода обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению, к примеру, с элионными методами [6], [7].
Для реализации процесса самоорганизации в методе центрифугирования в качестве внешних воздействий выступают силы поверхностного натяжения, тяжести и центростремительная (ее инерционное проявление -центробежная сила). Управление формированием пленок из КТ может
осуществляться варьированием таких параметров, как скорость и время. При этом, очевидно, что их величины существенно зависимы от концентрации используемого раствора ультрадисперной системы с КТ.
В настоящем исследовании пленки формировались с помощью центрифуги «MiniSpin» (Eppendorf, Германия). В типовой конфигурации угол наклона ячеек для микропробирок в центрифуге составляет 45° с осью вращения. Стабилизированные желатином КТ CdS, синтезированные по методике [8]. Из водного коллоидного раствора наносились капельным методом на подложку (кремниевую пластину размером 7*7 мм). Подложка помещалась в микропробирку перпендикулярно к оси вращения (рис. 1).
Рисунок 1 - Расположение кремниевой пластины в микропробирке
Рассмотрим динамику аликвоты раствора стабилизированных КТ, которая подвержена центрифугированию. В капле раствора мысленно выделим
слой малого объема, который разобьем на более мелкие горизонтальные
г
слои (рис. 2), на каждый из которых действует центробежная сила ш, определяемая как
Г = гш2т
ш
?
где ш - циклическая частота вращения подложки с раствором, г - расстояние от оси вращения до подложки (считаем, что размеры подложки пренебрежимо малы по сравнению с г), т - масса малого слоя (в коллоидном растворе, где частицы разных размеров находятся в хаотическом состоянии, массы слоев считаем одинаковыми).
Центробежной силе противодействует сила вязкого трения значение которой обратно пропорциональна высоте слоя г: « Иг. Помимо этого на частицы в выделенном нами слое действуют силы тяжести mg и отсутствует сила поверхностного натяжения. Действие равнодействующей трех указанных сил также обозначено на рисунке. Именно она будет способствовать тому, что избыток раствора КТ удалится за пределы подложки, а оставшиеся частицы, «вдавливаясь» в подложку, начнут самоорганизовываться, образуя плотно упакованный поли- или даже монослой.
г „
©
(г) mt К> F
Рисунок 2 - Динамика слоя раствора стабилизированных КТ
Стабильность сформированного таким образом слоя обеспечивается адгезией к кремниевой подложке, сила которой значительно превышает центробежную силу.
Очевидно, подобрав определенные параметры центрифугирования (частоту вращения V, его длительность ? и объем V наносимого на подложку вещества), можно добиться того, что образовавшаяся структура из стабилизированных КТ будет равномерно распределенной по площади и однослойной по толщине. Такой режим определялся путем проведения серии экспериментов, где указанные управляющие параметры (V, ? и V) изменялись по методикам факторного анализа, то есть с изменением только одного из них. Характеризация получаемой пленочной поверхности осуществлялась в два этапа. Качество поверхности определялось как по конфокальным изображениям пленочных структур (рис. 3), так и путем количественной их характеризации (шероховатость, латеральные и высотные размеры) с помощью методом атомно-силовой микроскопии.
Для определения качества поверхностей пленочных структур из КТ нами была разработана оригинальная методика, основанная на том, что растровое изображение конфокального микроскопа состоит из неделимых элементов - пикселей, каждый из которых характеризуется фиксированным цветом. С помощью графического редактора Gimp 2.10.8 фиксировались оттенки того или иного пикселя в абсолютных величинах по шкале от
Рисунок 3 - Конфокальное изображение пленки
«0» (самый темный) до «255» (самый светлый) и рассчитывались различные статистические параметры на основе этих данных. В качестве наиболее информативного параметра в настоящем исследовании были выбраны средняя яркость изображения - b (от англ. brightness - яркость), и стандартное отклонение яркости - о. Отметим, что конфокальные изображения обладают рядом серьезных недостатков. Во-первых, они характеризуются неравномерной яркостью: оптическая система частично ограничивает наклонные пучки света, в результате чего наблюдается затемнение изображения по мере удаления от его центральной области. Во-вторых, конфокальное изображение - цветное, что затрудняет распределение пикселей по оттенкам. В этой связи рационально рассматривать только центральную часть изображения, которое предварительно монохроматизировалось из цветного в черно-белое.
Это позволило установить их взаимосвязь с толщиной: меньшей толщине пленки соответствовало более светлое его конфокальное изображение. Таким образом, контролировалось влияние каждого из указанных управляющих параметров на значение величин b и о и качественно определялись толщина пленочного покрытия и его равномерность. На рис. 4 представлено изменение b и о от частоты вращения центрифуги для разных объемов раствора и длительности центрифугирования.
Нетрудно видеть, что график, изображенный на рис. 3д своей средней частью крайне близок к горизонтальной прямой, проведенной в тех же координатах и соответствующей яркости очищенной подложки, а график на рис. 4е иллюстрирует минимальное и практически постоянное стандартное отклонение яркости изображения. Это значит что в режиме умеренных частот вращения (4 - 9 тыс. об./мин), относительно малого объема наносимого изначально на подложку раствора (порядка 0,005 мл) и длительного воздействия на него центробежных сил (порядка 10 минут) произошло максимальное утонение пленочного покрытия при максимальной его равномерности.
Ь, ед. 130 125 120 . 115
110 _
105
0
а)
б)
Ь,ед. 130 125 120 115 110 105
5 10 15 V, тыс. об./мин
а, ед. 25 20 15 10 5 0
5 10 15
V, тыс. об./мин
в)
г)
Ь, ед. 130 125 120 115 110 105
5 10 15
V, тыс. об./мин
д)
а, ед. 25 20 15 10 5 0
5 10 15 V, тыс. об./мин
е)
Рисунок 4 - Зависимость средней яркости конфокальных монохроматизи-рованных изображений пленочного покрытия (а, в, д) и стандартного отклонения яркости изображений (б, г, е) от частоты вращения центрифуги
при различных режимах формирования пленки: при
V = 0,02 мл
и
t = 10 мин (а, б); при V = 0,005 мл и t = 3 мин (в, г); при V = 0,005 мл и
t = 10 мин
(д, е)
По предложенным критериям из анализа конфокальных изображений и качественной оценки толщины и равномерности сформированного методом центрифугирования пленочного покрытия были получены образца пленок, которые были исследованы методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Таким образом, полученное АСМ изображение пленки из КТ сульфида кадмия, сформированной в течение 10 минут при центрифугировании с частотой 4000 об./мин из капли раствора 0,005 мкл. представлено на рис. 5. Видно, что частицы в слое обладают определенной периодичностью, наиболее ярко выраженной в направлении 2, совпадающем с направлением движения всего массива КТ сульфида кадмия. Наиболее наглядно это видно в 3D представлении АСМ изображения поверхности.
Рисунок 5 - АСМ-изображение пленки
Таким образом, из синтезированных в работе квантовых точек сульфида кадмия, достигнуто формирование пленочных покрытий на кремниевой подложке методом центрифугирования. Показано, что толщину и равномерность пленочного покрытия в первом приближении качественно можно оценить методом конфокальной микроскопии.
Список литературы
1. Tripathi, C. C. Thin Film Deposition by Langmuir Blodgett Technique for Gas Sensing Applications / C. C. Tripathi, S. Malik // Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. - 2013. - Vol. 3. - P. 235 - 241.
2. Mannanov, A. A. Luminescent Organic Semiconducting Langmuir Monolayers/ A. A. Mannanov, A. S. Sizov, E. V. Agina // ACS Applied Materials Interfaces. - 2017. - Vol. 9. -P. 18078 - 18086.
3. Кульбачинский В. А. Полупроводниковые квантовые точки / В. А. Кульбачинский // Соровский образовательный журнал. Т. 7. - 2001. - № 4. - С. 98 - 104.
4. Chuhaeva, I.V. Features in Formation and Properties of Langmuir-Blodgett Monolayers / I.V. Chuhaeva, MB. Dobromyslov A.P. Kuzmenko // JOURNAL OF NANO- AND ELECTRONIC PHYSICS. - 2013. - Vol. 5, N 4. - P. 04035-1 04035-2.
5. Суходолов Н. Г. Новые материалы, полученные методом Ленгмюра - Блоджетт, и их применение в нанотехнологии и приборостроении (ч. 1. Гибридные материалы) / Н. Г. Суходолов, Н. С. Иванов, Е. П. Подольская // Научное приборостроение. Т. 23. -2013. - № 1. - С. 86 - 105.
6. Асеев, А. Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / А. Л. Асеев // Вестник Российской Академии Наук. - 2006. - T. 76. - вып. 7. - C. 603 - 611.
7. Сейсян, Р. П. Нанолитография в наноэлектронике (Обзор) / Р. П. Сейсян // ЖТФ. -2011. - T. 81. - вып. 8. - C. 1 - 14.
8. Бездетко Ю. С. Оптические свойства квантовых точек CdS, синтезированных при различных концентрациях реагентов / Ю. С. Бездетко, В. Г. Клюев, В. Н. Феклин // Конденсированные среды и межфазные границы. Т. 20. - 2018. - №1. - С. 25 - 31.
Novikov Evgeny, post-graduate student Olesya Igorevna Shutyaeva, student
Alexander p. Kuzmenko, doctor of Phys.-math.Ph. D., Professor Southwest state University, Kursk, Russia SPUN films of CdS QUANTUM DOTS
In the article the proposed method of obtaining ultra-thin films on the basis of CdS quantum dots using Microcentrifuges "MiniSpin" and select the optimal mode of their formation by analyzing monochromatizing confocal images. Variable parameters were the speed of the centrifuge, the volume of the solution applied to the substrate, the duration of rotation. Based on the obtained optical confocal images of the surfaces of the formed films, families of curves were constructed, which allowed to establish both the continuity and regularity of their structure and rational modes of formation.
Key words: quantum dots, cadmium sulfide, centrifugation, films, confocal microscopy. УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ НА СВОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ
Чарыев Алексей Исмаилович, студент (e-mail: [email protected]) Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, Россия
В работе были выполнены исследования по оценке влияния химического состава быстрорежущей стали на структуру и физико-механические свойства ионно-плазменного покрытия TiN. На основании исследований было установлено что при обработке резанием различных материалов необходимо менять покрытие , а не марочный состав быстрорежущей стали, как это часто бывает на предприятиях.
Ключевые слова: покрытие, плазма, сталь, свойства химического состава, катод.
Данная работа посвящена актуальной проблеме повышения качества ионно-плазменных покрытий из тугоплавких металлов при упрочнении режущего инструмента из быстрорежущих сталей. Промышленными предприятиями для изготовления режущего инструмента различного назначения используются более 10 марок быстрорежущих сталей. Часть этого инструмента используется с ионно-плазменными покрытиями .
В работе проведены исследования по оценке эффективности применения большой номенклатуры быстрорежущих сталей для режущего инструмента с покрытием TiN.
Исследования выполнялись на образцах диаметром 15 мм , толщиной 6 мм из 5 марок стали Р18 , Р9К5, Р6М5Ф3, Р9М4К8, Р12Ф2К8М3, после термообработки стали имёют твёрдость HRC = 62-56 единиц. Исследования структуры и элементный анализ покрытий выполнялись на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390A.
