3. Технология Ленгмюра-Блоджетт, как один из методов молекулярного конструирования наноструктур.

 

Термин пленки Лэнгмюра–Блоджетт обозначает моно- или многослойные пленки, перенесенные с границы раздела жидкость–воздух на твердую подложку. В качестве жидкой среды чаще всего используется деионизованная вода, но могут использоваться и другие жидкости, например, глицерин и ртуть. С поверхности воды должны быть удалены все органические примеси через фильтр из активированного угля. Поверхностно-активные вещества – молекулы, часть которых является гидрофильной, т.е. растворяется, смачиваются или набухают в воде, а другая часть является гидрофобной, т.е. не взаимодействует с водой. Классический пример такого вещества – стеариновая кислота (С₁₇Н₃₅СО₂Н), в которой длинный гидрокарбонатный «хвост» (С₁₇Н₃₅-) является гидрофобным, а карбоксильная группа (-СО₂Н) является гидрофильной. Такая молекула располагается на границах раздела воздух-вода или масло-вода.

В качестве подложек, на которые переносят такие вещества, можно использовать стекло, кварц, алюминий, хром, олово (последние в окисленном виде, например, А1₂О₃/А1), золото, серебро и полупроводниковые материалы (кремний, арсенид галлия и др.).

Известны две разновидности метода переноса монослоев с границы раздела вода-воздух на твердую подложку. Первый, наиболее распространенный вариант – вертикальное осаждение был впервые продемонстрирован Блоджетт и Лэнгмюром. Они показали, что монослой поверхностно-активного вещества может быть осажден с границы раздела вода–воздух посредством вертикального смещения пластины, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Схема формирования многослойных пленок методом Ленгмюра–Блоджетт: а – первое погружение; б – первый подъем; в – второе погружение; г – второй подъем.

Когда подложка двигается через монослой на границе вода-воздух, монослой может быть перенесен в процессе всплывания (подъема вверх), если поверхность подложки гидрофильная, или погружения (опускания вниз), если поверхность подложки гидрофобная. Если процесс осаждения начинается с гидрофильной подложки, она становится гидрофобной после осаждения первого монослоя, и таким образом второй монослой будет перенесен при погружении.

Этот процесс может быть повторен для добавления следующего слоя. Данный тип осаждения Блоджетт назвала Y-типом осаждения, а пленки – Y-пленками. Такие пленки обладают либо гидрофобной, либо гидрофильной поверхностью в зависимости от направления, в котором подложка в последний раз проходила через монослой.

Можно сконструировать устройство для перемещения подложки из непокрытой пленкой части воды и погружения ее в покрытую пленкой область воды, создавая таким образом последовательность «голова»–«хвост» слоев на подложке. Этот метод называется X-типом осаждения, а пленки, состоящие из одинаково ориентированных монослоев, называют Х-пленками.

Существенным здесь является следующее: во-первых, этот метод осаждения легко контролируется; во-вторых, толщина пленки точно определяется длиной молекулы; и, наконец, Х-тип осаждения является нецентросимметричным, что очень важно для устройств нелинейной оптики.

Третий тип осаждения имеет место, когда пленки формируются только при подъеме (пленки Z-типа).

Рис. 7. Схематическое изображение пленок Y-, X- и Z-типа

На рис. 8 представлена схема устройства для осаждения таких пленок. На этой схеме: а – ванна, обычно изготавливаемая из тефлона; б – движущийся барьер, позволяющий оказывать контролируемое давление на монослой; в - мотор, который двигает барьер; г – измерительный прибор, позволяющий контролировать давление на поверхности воды; д – балансирующее устройство; е – мотор с редуктором; ж – твердая подложка.

__

Рис. 8. Схема устройства для осаждения пленок Лэнгмюра–Блоджетт