Библиографическое описание:

Рыбакова Н. О. Получение и исследование тонких плёнок на основе фталоцианинов и их металлокомплексов // Молодой ученый. — 2014. — №20. — С. 214-217.

В настоящее время внимание исследователей приковано как нанокомпозитным материалам, так и структурам на их основе, используемым в устройствах нано- и микроэлектроники [1–8]. Широкое применение для создания наноструктурированных плёнок нашли комплексы фталоцианинов. Обычно это тонкие плёнки металлокомплексов фталоцианинов — PcMe (Pc — фталоцианиновый комплекс, Ме — металл). Эти соединения обладают очень высокой термической и химической устойчивостью — на воздухе практически не разрушаются вплоть до температур 400–500 °С, а в вакууме большинство фталоцианинов не разлагается до 900 °С, они не взаимодействуют с сильными кислотами и сильными основаниями, а также обладают значительным оптическим поглощением в видимой области спектра [9].

Актуальность работы заключается в том, что данные материалы являются перспективными в разработке современных сенсорных устройств [10–15] с управляемыми выходными параметрами за счет модификации структуры фталоцианинов.

По своему строению металлофталоцианины (PcMe) являются синтетическими аналогами порфиринов — большого класса биологически важных органических веществ, к которым относится гемоглобин, хлорофилл, протогем. Строение молекулы металлофталоцианина представлено на рисунке 1.

фталомет.jpg

Рис. 1. Строение молекулы фталоцианина

 

Как видно из рисунка 1, молекула состоит из 3-х частей:

-                   центрального атома металла — комплексообразователя (ЦАМ);

-                   внутренней π-системы, состоящей из восьми атомов углерода и восьми атомов азота;

-                   четырёх бензольных колец с разнообразными заместителями.

Чаще всего органические молекулярные полупроводники имеют в основе своей кристаллической структуры либо аморфную фазу, либо поликристаллическую. Молекулы металлофталоцианина наиболее подходят для создания органических полупроводниковых структур. В кристаллическом состоянии сильное перекрытие систем сопряженных p-орбиталей соседних молекул приводит к появлению полупроводниковых свойств. Присутствие металлического атома обеспечивает межмолекулярный перенос заряда также хорошо, как и инжекцию электрона из подложки в органический материал. Проводимость в полупроводниках на основе металлофталоцианинов может изменяться в широком интервале значений.

Фталоцианины обладают следующими основными свойствами:

-                   проводимость плёнок фталоцианинов зависит от степени её кристалличности;

-                   большинство фталоцианинов являются дырочными полупроводниками;

-                   величина энергии активации является показателем наличия или отсутствия примесей;

-                   высокий коэффициент экстинкции;

-                   изменение окраски плёнки при воздействии различных окислителей.

Фталоцианины металлов преимущественно получают взаимодействием фталевой кислоты, ее солей или ангидрида с источником азота, например карбамидом, металлами или их солями в присутствии катализатора в среде органического растворителя. Таким способом получают фталоцианины меди, кобальта, железа, ванадила, никеля и олова высокого качества с высоким выходом. После проведения конденсации растворитель удаляется под вакуумом (таблица 1).

Таблица 1

Компоненты для получения фталоцианина меди

Наименование компонентов

Молекул. масса

Массовая доля, %

Масса, г

Колич. г-моль

техн.

100 %-ный

Фталевый ангидрид (С8H4O3)

148,12

99,7

57,32

57,15

0,386

Карбамид ((NH2)2CO)

60,05

99,3

86,09

85,49

1,424

Однохлористая медь (CuCl)

98,99

92,0

10,89

10,02

0,101

Молибдат аммония ((NH4)2MoO4)

196,01

98,0

0,193

0,189

Растворитель

62 мл

 

Применение органического растворителя позволяет проводить процесс при достаточно низкой температуре. После удаления растворителя продукт выделяется в твердом виде.

Технический результат, достигаемый при использовании данного способа, выражается в следующем:

-                   обеспечивается высокое качество и выход целевых продуктов;

-                   конечные продукты после синтеза и удаления растворителя под вакуумом лего выделяются в виде твердого порошка;

-                   обеспечивается получение всех практически важных продуктов на основе фталоцианинов металлов, включая фталоцианин железа;

-                   в процессе синтеза фталоцианинов металлов не образуются побочные продукты, требующие специальных технических приемов для их удаления;

-                   процесс не требует технических средств для поддержания температуры, поскольку проводится при температуре кипения растворителя.

Для нанесения молекул фталоцианина (Pc) на подложку используют различные методы, самыми распространенными из которых является высокотемпературное и плазменное напыление порошковых материалов. Возможен также метод напыления плёнок на подложку из газовой фазы. А для нанесения более равномерного молекулярного слоя на кристаллическую подложку также применяется метод центрифугирования или «spin-coating». Преимуществом данного метода является отсутствие необходимости в использовании высоковакуумного оборудования [16]. Нерастворимые полупроводящие пленки получают с помощью центрифугирования растворов молекул с последующим нагреванием тонкой пленки и удалением растворителя и летучих веществ, способствующих растворению фталоцианинов (рисунок 2).

id7898.jpg

Рис. 2. Получение плёнки с помощью центрифугирования растворов молекул

 

Соединения Pc практически нерастворимы, поэтому в состав молекул вводятся функциональные группы, повышающие их растворимость. Модифицированные молекулы растворяются в органическом растворителе, после чего происходит осаждение раствора на стеклянную пластину с помощью центрифугирования с образованием тонкой пленки из органических молекул. В результате нагрева пленки повышающие растворимость фрагменты разрушаются, а продукты этого разрушения улетучиваются. В результате этих операций пленка получается нерастворимой и проявляет свойства полупроводника.

Практическое применение наноструктурированных плёнок, синтезированных различными химическими методами, например золь-гель [17–23], заключается в использовании их при создании элементов функциональной электроники. Пленки на основе фталоцианинов используются в конструкции органических светоизлучающих устройств (OLED), солнечных элементов, а также в других областях электроники. Немалый интерес сохранился и к применению их в чувствительных элементах датчиков — преобразователей первичной информации. К ним относятся измерители потоков электромагнитного излучения различных диапазонов энергии, датчики давления, температуры, определители компонентного содержания газовых и жидких растворов.

 

Литература:

 

1.         Аверин И. А., Карпова С. С., Мошников В. А., Никулин А. С., Печерская Р. М. Управляемый синтез тонких стекловидных пленок // Нано- и микросистемная техника, 2011. — С. 23–25.

2.         Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А. Исследование частотных зависимостей емкости наноструктур на основе SiO2-SnO2 // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки, 2013. — № 3 (27). — С. 168–175.

3.         Аверин И. А., Пронин И. А., Мошников В. А., Димитров Д. Ц., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Кузнецова М. В. Анализ каталитических и адсорбционных свойств D-металлов-модификаторов диоксида олова // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 7. — С. 47–51.

4.         Игошина С. Е., Аверин И. А., Карманов А. А. Моделирование газочувствительности пористых пленок на основе полупроводниковых оксидов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета, 2014. — № 48. — С. 115–119.

5.         Аверин И. А., Сигаев А. П., Карманов А. А., Пронин И. А., Игошина С. Е., Кудашов А. А. Влияние отжига на качественный состав наноструктурированных материалов на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2014. — Т. 2. — С. 133–136.

6.         Артемов И. О., Кревчик В. Д., Игошина С. Е. Модель акустического модулятора на основе квантовой ямы с прыжковым механизмом проводимости // Нанотехника, 2006. — № 7. — С. 16–20.

7.         Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование процессов газочувствительности полупроводниковых сетчатых композитов на основе SiO2-SnO2 // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2012. — Т. 1. — С. 214–216.

8.         Игошина С. Е., Карманов А. А., Сигаев А. П. Вакуумметры с чувствительными элементами на основе пористых наноструктурированных материалов SiO2-SnO2 // Молодой ученый, 2014. — № 11. — С. 52–55.

9.         Белогорохов И. А., Тихонов Е. В., Бреусова М. О., Пушкарев Е. В., Томилова Л. Г., Хохлов Д. Р., Оптические свойства органических полупроводников на основе фталоцианиновых комплексов эрбия в ближней и средней ИК-областях спектра // Физика и техника полупроводников, 2007. — Т. 41 — № 10. — С. 1221–1225.

10.     Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Исследование газочувствительности сенсоров на основе наноструктурированных композиционных материалов SiO2-SnO2 // Нано- и микросистемная техника, 2013. — № 5. — С. 23–26.

11.     Пронин И. А., Аверин И. А., Мошников В. А., Якушова Н. Д., Кузнецова М. В., Карманов А. А. Перколяционная модель газового сенсора на основе полупроводниковых оксидных наноматериалов с иерархической структурой пор // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 9. — С. 15–19.

12.     Волчихин В. И., Аверин И. А., Карманов А. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Инновационные направления развития нано- и микроэлектроники в ПГУ // Университетское образование (МКУО-2013) сборник статей XVII Междунар.науч.-метод.конф.,посвящ. 70-летию образования университета. под ред. В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. г. Пенза, 2013. — С. 7.

13.     Аверин И. А., Пронин И. А., Карманов А. А. Разработка перколяционной модели газовых сенсоров // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2014. — Т. 1. — С. 161–163.

14.     Пронин И. А., Аверин И. А., Александрова О. А., Мошников В. А. Модифицирование селективных и газочувствительных свойств резистивных адсорбционных сенсоров путем целенаправленного легирования // Датчики и системы, 2013. — № 3 (166). — С. 13–16.

15.     Аверин И. А., Сигаев А. П., Карманов А. А., Пронин И. А., Игошина С. Е., Кудашов А. А. Влияние отжига на качественный состав наноструктурированных материалов на основе SiO2, SiO2-SnO2, SiO2-SnO2-In2O3 // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2014. — Т. 2. — С. 133–136.

16.     Пахомов Г. Л., Гапонова Д. М., Лукьянов Д. М., Леонов Е. С. Люминесценция в тонких пленках фталоцианина // Физика твердого тела, 2005. — Т.41. — № 1. — С.164–167.

17.     Аверин И. А., Карманов А. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель технологии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки, 2012. — № 2. — С. 155–162.

18.     Аверин И. А., Игошина С. Е., Карманов А. А., Пронин И. А. Моделирование образования золь-гель нанокомпозитных пленок // Труды международного симпозиума надежность и качество, 2013. — Т. 2. — С. 201–205.

19.     Аверин И. А., Карманов А. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Исследование золя ортокремневой кислоты методом ИК-спектрометрии // Труды международного симпозиума Надежность и качество, 2012. — Т. 1. — С. 214–216.

20.     Карманов А. А. Особенности синтеза материалов для чувствительных элементов мультисенсорных систем золь-гель методом // Труды международного симпозиума надежность и качество, 2013. — Т. 2. — С. 115–118.

21.     Зверева И. Ю., Аверин И. А. Карманов А. А., Пронин И. А. Влияние типа подложки на свойства тонких пленок ZnO, синтезированных золь-гель методом // Университетское образование XVIII Международная научно-методическая конференция, посвященная 200-летию со дня рождения М. Ю. Лермонтова. под ред. А. Д. Гулякова, Р. М.Печерской, Пенза, 2014. — С. 286–288.

22.     Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Карманов А. А. Особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов состава SiO2-MexOy, полученных с помощью золь-гель технологии // Нано- и микросистемная техника, 2014. — № 8. — С. 3–7.

23.     Аверин И. А., Карманов А. А., Пронин И. А., Печерская Р. М. Использование ИК-спекроскопии для анализа тонких стекловидных пленок, полученных золь-гель методом // Университетское образование Сборник статей XV Международной научно-методической конференции, посвященной 50-летию полета первого космонавта Ю. А. Гагарина. под редакцией В. И. Волчихина, Р. М. Печерской. 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40, 2011. — С. 227–228.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle