17-ая моложедная школа(2014)
.pdfМОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ МЕМБРАН
А.П. Бройко, А.В. Корляков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Abstract – The report considers the model problem of the stationary heating of a thin membrane, transient cooling of a thin membrane, the minimum area of the sensor associated with the fluctuation limit.
Волоконно-оптические микрофоны, датчики потока, термоанемометры, ИК - датчики получили широкое распространение в связи с их малым энергопотреблением, невысокой стоимостью и возможностью интегрировать их в микроприборы. Тепловое состояние чувствительного элемента датчика - мембраны необходимо определять при анализе стабильности, надежности и выбора режимов работы. Основные вопросы, которые возникают у разработчика это:
1)какая температура, до которой нагревается микроэлемент и как регулировать ее?
2)какова тепловая инерционность, и как ее уменьшить?
3)существуют ли принципиальные физические ограничения на размеры и формы сенсора?
В докладе рассмотрены модельные задачи о стационарном нагреве тонкой мембраны, нестационарном охлаждении тонкой мембраны, о минимальной площади сенсора, связанной с флуктуационным пределом, позволяющие приближенно ответить на вышепоставленные вопросы. Вычислено, что для воздуха, если сенсор работает на максимальных скоростях определения (т.е. порядка времени тепловой релаксации), его площадь не может быть меньше 400 нм2.
30
ПЛЕНКИ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ НА ОСНОВЕ ПОЛИИМИДОВ
С.И. Голоудина
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Abstract – Ultra-thin films of various substance on the solid surface are important for modern microand nanotechnology. Rigid-chain polyimides (PI) are of considerable interest for these purposes because this type of polyimides exhibits the highest thermal stability among polyimides (up to 560 C), good dielectric proerties, end good compatibility with the substrate used in microelectronics. An ultrathin PI membrane (70-100nm) on a metal grid matrix was obtained by the LangmuirBlodgett (LB) method. It was shown the SiO2 electret film, based on silicon possesses good storage ability of charges after PI film (1.5nm) surface modification. It was established that the contribution of PI film is the principal factor for selective separation of gas mixtures by LB PI/PPO membrane ( O2/N2=8.5). It was shown the polyimide films, containing 8 layers (4nm), can be used for pore sealing of ultra low-K dielectrics.
Ароматические полиимиды являются одними из наиболее востребованных полимеров для использования в микроэлектронике. Они хорошие диэлектрики, обладают высокой термической стабильностью, механической прочностью и химической стойкостью, что позволяет использовать их в качестве межслойной изоляции и защитных покрытий. В настоящее время полиимиды рассматриваются, как основной материал гибкого субстрата для нанесения микросхем в гибкой электронике. С помощью метода Ленгмюра-Блоджетт можно получать пленки полиимида толщиной 0.5нм и более, с шагом 0.5нм. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет наносить пленки, как на подложки из традиционных для микроэлектроники материалов, так и на поверхность гибких материалов, в том числе полимеров. Наибольшее распространение в технологиях микроэлектроники получил гибкоцепный полиимид марки Kapton. Однако, как показали исследования, проведенные в Институте Высокомолекулярных Соединений РАН, в ряде случаев жесткоцепные полиимиды определенного химического строения в наибольшей степени удовлетворяют требованиям технологии изготовления микросхем. Например, жесткоцепный поиимид, полученный в результате имидизации полиамидокислоты ДФ-оТД, синтезируемой на основе 3,3 ,4,4 -дифенилтетракарбо- новой кислоты и о-толидина, имеет более низкий коэффициент термического расширения (до 0.5 10-5К-1) и более высокую термическую стабильность (до
560˚С).
Полученные нами с помощью метода Ленгмюра-Блоджетт пленки жесткоцепного полиимида ДФ-оТД и его преполимера, алкиламмонийной соли поли-
31
амодокислоты с мультицепями третичного амина, исследовали методами эллипсометрии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновского малоуглового рассеяния и рентгеновской рефлектометрии. На основании анализа изотерм сжатия монослоев преполимера на поверхности воды, условий осаждения их на твердую подложку, исследования структуры пленок Ленгмюра-Блоджетт и морфологии их поверхности была дана характеристика надмолекулярной структуры пленок и предложен механизм ее формирования. На основании данных рентгеновской рефлектометрии было показано, что пленки полиимида толщиной 3.5 нм (7 слоев) имеют плотность, соответствующую теоретическому значению плотности полиимида. Плотным расположением полимерных цепей в пленке и ее однородностью на поверхности подложки объясняются полученные нами результаты по стабилизации заряда электрета пленкой полиимида толщиной 1.5нм и эффект герметизации пор на поверхности low-K диэлектрика пленкой толщиной 4нм. Существенным отличием пленок Ленгмюра-Блоджетт от пленок, полученных другими методами (молекулярно-лучевого осаждения, атомно-слоевого осаждения, полиионной сборки, самоорганизации молекул) является то, что пленка образуется на поверхности подложки не за счет осаждения отдельных молекул, а в результате покрытия поверхности сплошным монослоем, целостность которого обеспечивается взаимодействием составляющих его молекул. Так благодаря формированию прочных связей между полимерными цепями в пленках преполимера и полиимида удалось получить пленки полиимида толщиной 70-100нм, закрывающие ячейки в сетке, размер которых составлял 40×40мкм. А при нанесении пленок полиимида толщиной 25, 50 и 100нм на поверхность виброакустической мембраны (0.13мкм) из нитрида кремния наблюдалось прецизионное снижение ее внутреннего напряжения. Кроме того, использование пленки полиимида в составе композитной мембраны «полифениленоксид-полиимид» позволило достичь коэффициента разделения 8.5 для азота и кислорода.
32
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
В.А. Закревский1, Н.Т. Сударь2
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН 2Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Abstract – The electrical breakdown of polymers is considered as a consequence of formation of defective regions in the bulk of the polymers. These regions form due to the dissociation of chemical bonds initiated by the ionization of macromolecules in a high electric field. It was shown that the electrical lifetime of a polymer can be estimated based on this approach.
Полимеры рассматриваются как перспективные материалы органической электроники. В виде пленок субмикронной толщины они используются в качестве диэлектрических или транспортных слоев в различных электронных устройствах. При этом тонкие полимерные пленки даже при относительно невысоких рабочих напряжениях испытывают воздействие сильных электрических полей, средняя напряженность которых достигает ~106 В/см, причем в отдельных (локальных) областях полимера она может существенно превышать это значение. Поэтому проблема электрической прочности и работоспособности тонких полимерных пленок в сильных полях привлекает большое внимание.
Электрическое разрушение тонких полимерных пленок не является критическим событием, происходящим при достижении определенной напряженности поля. Это развивающийся во времени процесс, характеризующийся скоростью накопления повреждений или обратной ей величиной – временем жизни полимерного образца в электрическом поле. Возникновение повреждений обусловлено инициируемым электрическим полем распад макромолекул, скорость которого зависит от напряженности электрического поля [1].
Данный процесс состоит из двух последовательных этапов. На первом (подготовительном) этапе происходит накопление повреждений (разрывов) макромолекул. Длительность этого этапа определяет долговечность образца пленки в электрическом поле. На втором (завершающем) этапе полимерный материал теряет способность сопротивляться протеканию тока высокой плотности, наблюдается резкое его возрастание, т. е. происходит электрический пробой. Проведенные оценки показывают, что разрушение полимерной пленки (образование канала пробоя) обусловлено протеканием в течение короткого времени (~10-8 с) токов очень большой плотности ( 107 А/cм2).
Выдвинута и развивается гипотеза о разрушении полимеров как следствии разрыва макромолекул в электрическом поле, инициированного их полевой ио-
33
низацией [2]. В образующихся макроионах, прочность межатомных связей значительно ниже, чем в нейтральной неповрежденной макромолекуле, что делает возможным разрыв их по термофлуктуационному механизму. Напряженность электрического поля, при которой начинается интенсивная ионизация макромолекул можно рассматривать как теоретический предел электрической прочности полимерных материалов. При распаде молекулярных ионов образуются новые молекулярные ионы и свободные радикалы – нейтральные осколки молекул, обладающие неспаренным электроном, что обуславливает их высокую химическую активность. Вступая во взаимодействие с соседними молекулами, они инициируют протекание свободнорадекальных реакций, в результате чего происходит глубокое изменение химической структуры молекул, т.е. деградация органического материала, возникают химические дефекты макромолекул — новые атомные группы с положительным сродством к электрону, которые могут служить глубокими ловушками электронов
Предложен физический механизм, объясняющий быстрое возрастание тока при электрическом пробое [3]. Накопление в локальной области полимера в результате полевой ионизации макромолекул положительных молекулярных ионов и электронов рассматривается как образование твердотельной плазмы, в которой возникает эффект дебаевского экранирования зарядов, приводящий к снижению потенциала ионизации молекул, что в свою очередь ускоряет образование несвязанных зарядов в полимере. Таким образом, возникает самоускоряющийся процесс, приводящий к возрастанию концентрации квазисвободных зарядов, время развития которого сопоставимо со временем развития пробоя.
1.В.А. Закревский, Н.Т. Сударь. ФТТ. 47, 931 (2005).
2.V.A. Zakrevskii, N.T. Sudar, A.Zaopo, Yu. A. Dubitsky. J. Appl. Phys. 93, 2135
(2003).
3.В.А. Закревский, Н.Т. Сударь. ФТТ. 55, 1298 (2013).
34
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АКТЮАТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ МИКРОРОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.Е. Калёнов, А.П. Бройко, А.В. Корляков, И.К. Хмельницкий, Д.А. Чигирев, А.И. Крот, Ю.О. Быков, А.В. Лагош
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Abstract – The possibility of fabrication micromechanic electroactive polimer actuators is considered. Models of actuators are fabricated and its characteristics are measured. The results of research of electroactive polymer actuators for microrobotics are discussed.
Вмикромеханике можно выделить четыре основных типа преобразования запасенной или внешней индуцируемой энергии в механическое перемещение: электростатический, термомеханический, пьезоэлектрический, магнитоэлектрический. Каждый из преобразователей имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют область его применения.
Основными критериями выбора типа актюатора для микроробототехнических систем являются его технологичность, возможность создания больших усилий и перемещений. С этой точки зрения стоит обратить внимание на термомеханический преобразователь [1]. Но тепловые преобразователи имеют низкий КПД, т.к. они рассеивают большое количество энергии при нагреве.
Поэтому одной из актуальных задач является создание технологичного, с низким потреблением энергии актюатора, который может создать большие перемещения и усилия. К такому типу преобразователей относится актюатор на основе электроактивных полимерах (ионообменных мембранах) [2].
Принцип работы актюатора на основе электроактивных полимерах основан на перераспределении ионов в ионообменных мембранах при приложении электрического поля, при этом у одного из электродов из-за увеличения у его поверхности концентрации ионов создаются избыточные механические напряжения, вследствие чего происходит деформация мембраны.
Вцентре микротехнологий и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета были получены и исследованы электроактивные полимерные актюаторы. Преобразователь представляет собой ионообменную мембрану длиной 35 мм и шириной 3 мм пропитанную ионами меди с нанесенными с двух сторон платиновыми электродами.
Использовалась перфторированная ионообменная мембрана Nafion 117 толщиной 175 мкм, которая представляет собой сополимер тетрафторэтилена и
35
сомономера, имеющего боковые цепи перфторированного винилового эфира, оканчивающиеся сульфогруппами:
При приложении управляющего напряжения в 15 В радиус кривизны структуры составил 20-30 мм (рисунок 1). Причем перемещение актюатора для мембран с медно-платиновыми электродами оказались в 1,5 – 2 раза больше, чем в случае актюаторов с платиновыми электродами.
Рис. 1. Полимерный электроактивный преобразователь.
1.Shin M., Characterization of a micromachined parylene-based thermal C-shape actuator, Journal of Micromechanics and Microengineering, 21, 2011.
2.Shahinpoor M., Bar-Cohen Y., Simpson J. Ionic polimer-metal composites (IPMCs) as biomimetic sensors, actuators and artificial muscles – a review // Smart Mater. Struct. 7 (1998)
36
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР БЕЛКА
В.А. Карасев, В.В. Лучинин
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Abstract – In the framework of developing the theory of topological encoding proteins the notion of pentafragment (PF) was introduced as a new structural unit of protein. This idea forms the basis to create a database of the PF, obtained by processing 2500 files proteins from Protein Date Bank. The database used to develop methods for predicting secondary structure of the protein based on its primary structure and design of the primary structure of a given protein secondary structure.
Белки как природные наноэлектронные устройства имеют насколько уровней организации, одним из которых является вторичная структура. В молекулярной биологии и бионической наноэлектронике существует проблема прогнозирования вторичной структуры на основе заданной первичной структуры белка. Обратная задача – проектирование первичной структуры белка с заданной вторичной структурой также является актуальной.
Согласно разрабатываемой нами теории топологического кодирования белков [1], в основании генетического кода лежит закодированное описание конформаций пентафрагментов белков (ПФ), которые воссоздаются благодаря действию боковых цепей аминокислот на область водородной связи NiH…Oi- 4=C. При этом ПФ рассматриваются как элементарные единицы структурной организации белка. В задачу нашей работы входило выделение ПФ белков, их сортировка, создание на этой основе базы данных ПФ и использование ее для разработки методов прогнозирования и проектирования вторичной структуры белка.
Создание базы данных ПФ. В каждом ПФ имеется 5 пар пептидных групп, Н-связи связи которых описываются четырьмя видами пар переменных: нет Н- связей – 00, Н-связь О…HN – 01, Н-связь NH…O – 10 и две Н-связи: О…HN и NH…O – 11. Полное описание Н-связей ПФ может быть дано с помощью 10 булевых переменных (0 и 1). С помощью программы PROTEIN 3D [1] на основе 2500 pdb-файлов белков Protein Data Bank были получены текстовые файлы, описывающих Н-связи вторичной структуры белков. Для последующего получения, обработки и сортировки ПФ были написаны специальные мини-программы. Всего было получено более 650 000 ПФ.
После обработки гомологичные по описанию ПФ были помещены в папки, названия которых состоят из 10 булевых переменных. Созданная база данных
37
ПФ имеет иерархическую организацию и состоит из 16 папок, имеющих в названиях первую и пятую пары переменных, внутри которых расположены по 64 подпапки с вариабельными 2-ой, 3-ей и 4-ой парами переменных. Внутри подпапок расположены файлы, содержащие наборы ПФ. Созданная база данных была использована при разработке методов прогнозирования и проектирования вторичных структур белка.
Метод прогнозирования вторичной структуры белка на заданной первич-
ной структуре [3]. Положение α-спиральных, β-структурных фрагментов и изгибов β-структуры в первичной последовательности аминокислот белка прогнозировали с помощью специально написанной программы PREDICTOR путем сравнения ПФ, последовательно, со сдвигом в одну аминокислоту, выделяемых в рабочем файле исследуемого белка, начиная с N-конца белка, с базой данных ПФ, введенной в память компьютера. Положение искомых фрагментов вторичной структуры белка устанавливали на основе столбца с записью 10-значных булевых чисел, производимой программой, расположенного параллельно записи первичной структуры белка. Точность предсказания вторичной структуры на исходной выборке в 2500 белков составляет 99%. Для универсальности данного метода прогнозирования необходимо создание теоретической базы данных ПФ, основанное на анализе закономерностей исходной базы данных.
Метод проектирования первичной структуры белка с заданной вторичной структурой. Для разработки данного метода также была использована база данных ПФ. Задание вторичной структуры проводили на основе библиотеки 10значных описаний фрагментов вторичных структур белка, а поиск ПФ с проектируемыми аминокислотами с помощью программы PROTCOM. Метод позволяет естественным образом соединять участки вторичных структур, принадлежащих разным белкам. Предполагается его развитие в сторону проектирования первичных структур белка с заданной третичной структурой.
1.Карасев В.А., Лучинин В.В. Введение в конструирование бионических наносистем. М: Физматлит, 463 с. (2009).
2.Карасев В.А. Биотехносфера. №1-2, 66 (2011).
3.Карасев В.А., Лучинин В.В. Способ прогнозирования вторичной структуры белка. Патент РФ № 2 425 837 (опубл. 10.08.2011).
38
CONDUCTING POLYMER/METAL COMPOSITE TOWARD
ADVANCED ELECTRONICS
Jin Kawakita
WPI International Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science
In order to realize flexible electronic devices, there still remain a lot of technologies to be developed. One of requirements is conductive micro wiring. Metal wiring for the conventional rigid devices may be broken by metal fatigue taking place during repetition of bending and unbending. Although plastics are supposed to be used as the substrate, metal is not easy to obtain strong adhesion on plastic in a simple way. Accordingly, an alternative option is to develop new materials having high electric conductivity, persistent flexibility and high adhesiveness to plastic substrate. The production efficiency to form the micro wiring is also important.
Composites of metal and conducting polymer have been developed. One of the composite showed the electric conductivity of 2 × 104 Ω-1·cm-1, which was two orders of magnitude larger than commercial conducting polymers. This is because surface of the polypyrrole as the conducting polymer was covered with silver nano-particles. In addition, the composite was formed 10 times faster than metals fabricated by electroplating and CVD. This is due to accelerating simultaneous chemical reactions of polymerization and metallization by irradiating the UV light. Liquid solutions including dispersion of the composite were able to fabricate micro patterns. The line width of some patterns attained to around 60 μm. Other pattern fabricated on a plastic film showed durability against repetition of bending and unbending. In addition, the composite had strong adhesion on the plastic substrates (more than 90% in adhesiveness), including Teflon known as less adhesive material.
From these results, it was expected that the composite of metal/conducting polymer was applied to the microwiring for the flexible electronic devices.
39