17-ая моложедная школа(2014)

НОВЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАН

М.Г. Минин

ООО «Промышленный мониторинг и контроль»

Abstract – VG Scienta’s new VacuTRAN™ is a major breakthrough for the Plastic

Electronics industry, enabling WVTR measurement of barrier layers to better than 10 6 g / m2 / day and simultaneous O2 permeation to better than 10 3 g / cm3 / day .

Компания «VG Scienta» является мировым лидером в производстве научного оборудования для исследования новых материалов. Оборудование компании используется во многих лабораториях по всему миру. Компания постоянно разрабатывает более совершенные технологии, позволяющие получать новые результаты исследований свойств материалов, таких как: сверхпроводники, графен, носители информации и многих других. Последние разработки позволяют проводить анализ при давлениях близких к атмосферным, что позволяет открывать новые горизонты в исследованиях для биотехнологий и наук об окружающей среде.

Компания активно откликается на растущую потребность научного сообщества в исследовании технологий гибкой электроники, направленной на разработку новых материалов и более долговечных устройств. Уникальная технология VG Scienta позволяет измерять характеристики барьерных слоев с коэффициентом WVTR превышающим 10 6 g / m2 / день.

Важный вклад в развитие технологии так же вносят печи для CVD технологии получения высококачественных слоев графена в больших масштабах.

Спектр компонентов VG Scienta включает в себя полный набор высоковакуумных компонентов, устройств перемещения, а так же изделий разнообразного назначения.

Установка VacuTRAN является инновационной системой, позволяющей значительно экономить время в процессе работы по измерению проницаемости мембранных материалов, олицетворяющей следующее поколение сверхчувствительных систем для измерения проницаемости мембран.

VacuTRAN позволяет повысить чувствительность в 50-100 раз по сравнению с существующим оборудованием на настоящий момент.

Преимущества уменьшенных затрат времени и повышенной чувствительности значительны, этот прорыв позволяет не только увеличить чувствительность измерения проницаемости до величины, превышающей текущий промышленный стандарт, но и значительно снизить время сбора данных, что так же повышает точность измерений.

40

ГИБРИДЫ MNZN ФЕРРИТ ПОЛИАНИЛИН В КАЧЕСТВЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

И.Ю. Сапурина1 , Н.Е. Казанцева2, Ю.М. Спивак3, В.А. Мошников3

1Институт высокомолекулярных соединений РАН 2Университет им. Томаса Бати, г. Злин, Чешская республика

3Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Электропроводящий полианилин (ПАНИ) и его композиты с ферритами используются при разработке радиопоглощающих материалов (РПМ), что обусловлено эффектом увеличения в них суммарных потерь в области высоких радиочастот. Марганцево-цинковый феррит (MnZn) широко применяется в качестве магнитного наполнителя при разработке РПМ вследствие высокого значения начальной магнитной проницаемости и его доступности. Рабочий диапазон частот РПМ на основе полимеров наполненных MnZn ферритом определяется размером частиц и концентрацией феррита в матрице диэлектрика и, обычно, лежит в области сотен МГц. Разрабатываемые авторами гибридные композиты MnZnПАНИ обеспечивают высокий уровень поглощения энергии электромагнитного излучения в области телекоммуникационных частот (1 3 ГГц). Важным с точки зрения практического применения композитов MnZn-ПАНИ в технологии РПМ является то, что управление электромагнитными характеристиками композитов (частотной зависимостью и ) возможно путем изменения условий образования пленки ПАНИ и ее допирования.

Наноструктурированные композиты MnZn-ПАНИ формируются в ходе полимеризации анилина в присутствии порошкообразного феррита, где пленка полимера растет на поверхности частиц феррита. Исследование влияния пленки ПАНИ на величину суммарных потерь гибридного композита показало, что вклад ПАНИ не ограничивается только ростом диэлектрических потерь ”, обусловленным эффектом межфазной поляризации. Установлено, что формирование пленки ПАНИ на частице феррита приводит также к изменению магнитных свойств MnZn-ПАНИ: возрастает коэрцитивность, а область магнитной дисперсии смещается в гигагерцовый диапазон. Наблюдаемые изменения обусловлены явлением торможения движения доменных границ в магнитных полях.

Зарождение пленки ПАНИ происходит в результате сорбции на поверхность феррита олигомеров анилина, содержащих парамагнитные катионрадикальные центры. Такие частицы чувствительны к магнитным свойствам носителя, поэтому на начальных этапах, рост пленки будет происходить избирательно, в местах с большей неоднородностью магнитных свойств – по границам доменов и зерен, что подтверждается данными атомно-силовой и электронной

41

микроскопии. В результате, движение доменных границ, вызванное переменным магнитным полем, тормозится и, как следствие, область магнитной дисперсии, обусловленная движением доменных границ, смещается в сторону более высоких частот. Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009−2013 годы (госконтракт №

02.740.11.5077) [1].

[1] Babayan V., N. E. Kazantseva, R. Moučka, I. Sapurina, Yu. M. Spivak, V. A.

Moshnikov. Сooperative effect of demagnetizing field and induced magnetic anisotropy on temperature-frequency dependence of permeability in MnZn ferrite composites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 324 (2012) 161–172

42

СХЕМО-ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СЕНСОТРОННЫХ ТКАНЕЙ

Н.М. Сафьянников, О.И. Буренева

ООО «Сенсотроника», ООО «Элинор»

Основным элементом тканого материала, определяющим её внешний вид, физические, механические, технологические и другие свойства является переплетение – топология нити в структуре ткани. Эффективный путь оптимизации топологии связан с использованием адаптивных переплетений, предложенных в результате модификации топологических подходов в патронировании рисунков. Топологический подход основан на математических методах кодирования структуры переплетения, получаемого на каждом конкретном рисунке и его элементах, в зависимости от задачи, и получаемые адаптивные переплетения представляют собой недетерминированные переплетения, не определяемые заранее как узнаваемые.

Такой недетерминированный подход имеет общие черты с проектированием топологий интегральных микросхем, что было проверено в процессе решения схемо-топологических задач при разработке топологии ИС на которую получено свидетельство об официальной регистрации №2014630078. Применение типовых принципов решения топологических задач в совокупности со специализированными токопроводящими нитями основы и утка при проектировании ткани позволили получить токопроводящую ткань с новыми свойствами, оригинальность структуры которой подтверждена патентом РФ № 2354766.

Эта ткань вошла в новую формируемую ассортиментную группу – функционально активный текстиль. Каждый вариант активного текстиля разрабатывается с учетом реализации конкретной функции, которая и определяет какие специальные компоненты используются для придания текстилю тех или иных свойств. Предложенная токопроводящая ткань в зависимости от топологии переплетений может реализовывать две функции – функцию защиты от электромагнитного поля и информационную функцию на основе геометрических параметров металлической ячеистой структуры по методу «свой-чужой».

Следующий уровень функциональности такой ткани предполагает решение топологических задач проектирования ткани с новыми сенсотронными свойствами. Для этого разработаны специализированные преобразователи с потоковой организацией информационных процессов на основе импульсных форм представления информации, позволяющих использовать для передачи кодовой информации одиночные линии, например как в запатентованном регуляторе температуры (патент № 2475804). Структура распределенных систем считывания и

43

обработки информации с датчиков, установленных по поверхности ткани, эффективно сочетается с ячеистой проводящей структурой текстильного материала. Основными задачами при создании сенсотронной ткани являются задачи, аналогичные проектированию топологии ИС: размещение, компоновка, трассировка.

Развитие этого направления связано с внесением микроэлектронных сенсорных элементов непосредственно в тканую структуру наряду с микросистемными элементами обработки информации. В перспективе представляется возможным формирование вычислительных структур из тканых проводников и полупроводников.

44

HIGH-ORDERED MATRICES OF FREE ANODIC POROUS ALUMINA MEMBRANES FOR APPLICATIONS IN RELATIVE HUMIDITY SENSORS

D.L. Shimanovich

Belarusian state university of informatics and radioelectronics

Аннотация – Разработаны объемно-планарные варианты емкостных структур вертикальной направленности на основе высокоорганизованных матриц свободных мембран из анодного пористого оксида алюминия для применений в чувствительных элементах сенсоров влажности. Получено улучшение чувствительных параметров (4 пФ/%), уменшение времени отклика и времени восстановления во всем диапазоне значений относительной влажности благодаря использованию наноструктурированных Al2O3-мембран толщиной 30-70 мкм без барьерного слоя с открытыми и модифицированными (расширенными) каналами пор диаметром 50-90 нм. Представлена специальная методика для утонения и удаления барьерного слоя.

Nanostructured anodic porous alumina can be used as an active humidity sensing element in the humidity sensors [1, 2] because the electrochemical process allows the capillary nanochannels to be formed and their geometrical parameters (diameter and length) to be varied. Anodic porous alumina membranes both with a dense alumina barrier layer at the pore bottoms and without this layer with open-ended pores can be used as starting material to design various humidity sensors. The structural parameters determine sensitivity of nanoporous alumina to the humidity variation. These parameters are controlled by the electrolyte composition and electrical and temperature formation regimes. Conductive electrodes are possible to be formed either on one or both sides of the alumina membranes resulting in the fabrication of vertical or horizontal (interdigitated) capacitive relative humidity (RH) sensing structures.

The test sensing elements designed for the humidity sensors based on nanoporous alumina membranes are the volumetric-surface variants of capacitive MDM (metal- dielectric-metal) structures of the vertical direction. To improve humidity sensitivity, reduce response time and recovery time of the test sensing elements designed, we use free membranes based on the high-ordered matrices of anodic nanoporous alumina with open-ended pores without the barrier layer.

Such membranes were formed by the two-stage electrochemical anodization in the 5% H2C2O4 solution at the potentiostatic regime (45, 50, and 55 V) with the use of the barrier layer thinning method by the slow voltage drop to 5 V at the final anodization stage combined with the cathode polarization either in the 0.5М H2C2O4 or in the neutral 0.5M KCl solution at (-4) V for 21, 24, 27, 30, and 35 min for the alumi-

45

na thicknesses of 30, 40, 50, 60, and 70 μm correspondingly and with the alumina chemical etching in 5% H3PO4 for 5-45 min at 25-30 °С. Such the technology allows obtaining high uniformity of pore sizes (50-90 nm) and eliminating the effect of electrolyte anions (O2-, OH-, and C2O42-) embedded in pore walls on the adsorption processes due to the decrease of the embedded anions concentration at the chemical etching.

Humidity permeable counter electrodes from the both sides of membranes formed by the metal (V, Ti, Ta, Mo) films sputtering 50-200 nm in thickness were used as the conducting electrodes of the MDM structures. The metal films thicknesses were shown by the simulation to be not more than 3-4 dp to provide alumina matrices with open-ended pores.

Dependences of sensing elements capacity on relative humidity (RH) at the RH increase from 10% to 90% and at the reverse RH decrease to the recovery of initial values and also a comparative analysis of the effect of the alumina structure parameters on the humidity sensors capacity at the RH variation were studied. Minimum values of the MDM nanostructures capacity are shown to be 22-35 pF at RH ~10% and amount to 370-390 pF at RH ~90%, i.e. the sensitivity of the humidity sensors is more than 4 pF per %. This indicates a high sensitivity index to allow signal digitizing at the electronic signal-conditioning circuit. Hysteresis value does not exceed 20 pF.

The comparative experimental values for the response (tres) and recovery (trec) time during the adsorption process at the RH increase and the desorption process at the RH decrease for the sensing element based on the alumina free membrane were represented. Kinetic testing procedures demonstrate that response time values are from 12 to 37 sec and recovery time data are from 3 to 8 sec during the RH increase from 10% to 30, 50, 60, 70, 90% and the RH decrease from 30, 50, 60, 70, 90% to 10% correspondingly.

[1] L. Juhasz, J. Mizsei. A simple humidity sensor with thin film porous alumina and integrated heating. Procedia Engineering, vol. 5, 2010, pp. 701-704.

[2] V.A. Sokol, V.A. Yakovtseva, and D.L. Shimanovich. Application features of porous alumina. Doklady BGUIR, № 2 (64), 2012, pp. 21-27.

46

17-я НАУЧНАЯ МОЛОДЁЖНАЯ ШКОЛА С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГИБКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ»

Тезисы докладов

13 ноября 2014 г.

47

17-я НАУЧНАЯ МОЛОДЁЖНАЯ ШКОЛА С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГИБКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ»

Организационный комитет:

проф. В.В. Лучинин, д.т.н., зав. каф. МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ», директор Центра микротехнологии и диагностики – председатель; проф. В.А. Мошников, д.ф.-м.н., каф. МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» – заместитель председателя;

проф. Ю.М. Таиров, д.т.н., заслуженный деятель науки и техники РФ, кафедра МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; проф. А.Г. Забродский, д.ф.-м.н., член-корр. РАН, директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе, СПб;

проф. В.А. Лабунов, д.т.н., заслуженный изобретатель БССР, академик НАН Беларуси, главный научный сотрудник БГУИР, Беларусь; проф. Е.И. Теруков, д.т.н., зав. лабораторией ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, СПб;

проф. О.А. Шилова, д.х.н., зав. лабораторией ИХС им. И.В. Гребенщикова РАН, СПб;

Секретарь конференции:

Л.Г. Алексеева, асп. каф. МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

17-я Научная молодёжная школа с международным участием приурочена ко II всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Гибкая электроника». Цель организации молодежной школы – развитие творческой активности аспирантов и студентов, сохранение и развитие единого научно-образовательного пространства, установление научных контактов. Тематика молодёжной школы включает следующие основные разделы: – струйные и зондовые печатные микро- и нанотехнологии; – матрично-трафаретные и импринт микро- и нанотехнологии; – технологии 3D микро- и наноформообразования; – гибкие многослоевые гетерогенные и 3D-субстраты; – 2D- и 3D-микросборка; – микроустройства сенсорики, моторики, энергетики; – мультидисциплинарные и гетерогенные интегрированные микро- и наносистемы (лаборатории-на-чипе, «умная» одежда, искусственные органы, робототехнические и бионические микросистемы).

48

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ МОДУЛИ НА ГИБКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДЛОЖКАХ

Г.М. Аблаев1,3, А.С. Абрамов1,2, Д.В. Жилина1,4, А.В. Кукин2,4, В.В. Левицкий1,4, И.А. Няпшаев1,2, А.В. Семенов2,4, М.З. Шварц1,2, Е.И. Теруков1,2

1Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе 2ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при Физико-техническом

институте им. А.Ф. Иоффе» 3Санкт-Петербургский академический университет – научно-образовательный центр

нанотехнологий Российской академии наук 4Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)

Производство полимерных гибких подложек требует существенно меньше энергозатрат по сравнению с производством стекла, используемого в качестве подложек для солнечных модулей. Возможность использования при производстве солнечных модулей на гибких полимерных подложках метода «от ролика к ролику» (roll to roll method) позволяет еще больше снизить стоимость производства по сравнению с солнечными элементами, созданными на стекле.

Солнечные модули, сформированные на гибких полимерных подложках, имеют малую толщину и, соответственно, малый вес. Подобные солнечные батареи могут быть закреплены на предметах, имеющих сложную, не гладкую поверхность, в том числе и на одежде. Малый вес солнечных батарей на гибких подложках делают их привлекательными для энергообеспечения различных объектов, работающих в космическом пространстве.

Целью данной работы является получение солнечных модулей на гибкой полимерной подложке и оценка их характеристик.

Были изготовлены экспериментальные образцы солнечных модулей на полиэтиленнафталатовой (ПЭН) подложке 10х10 см2, которые затем были объединены в батарею, состоящую из 24 модулей. Каждый из модулей имеет 72 солнечные ячейки, сформированные в виде матрицы 9х8. Ячейки состоят из нижнего алюминиевого контактного слоя толщиной 200 нм, n-i-p структуры из a-Si:H (25 нм n-слой, 300 нм i-слой и 15 нм p-слой), и верхнего контактного слоя ZnO:Al толщиной около 170 нм. Ячейки соединены последовательно верхними алюминиевыми контактами толщиной 150 нм.

Все слои фотопреобразующего каскада осаждаются методом PECVD с ВЧразрядом с применением масочной технологии.

В работе представлена спектральная зависимость квантовой эффективности полученных структур. Были измерены ВАХ для всех модулей при стандартном освещении АМ1.5G от имитатора солнечного излучения и для батареи в натур-

49