Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну
Вивчено закономірності електрохімічного одержання гібридних наноструктур на
 основі тонких шарів поліаніліну на поверхні поруватого кремнію в умовах електрохімічної полімеризації аніліну з циклічною розгорткою потенціалу. Методом атомносилової мікроскопії досліджено топологію поверхні отрима...
Saved in:
| Published in: | Праці наукового товариства ім. Шевченка |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Західний науковий центр НАН України і МОН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74467 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну / О. Аксіментєва, О. Євчук // Праці Наукового товариства ім. Шевченка. — Л., 2010. — Т. XXV: Хемія і біохемія. — С. 188-197. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860140063052005376 |
|---|---|
| author | Аксіментьєва, О. Євчук, О. |
| author_facet | Аксіментьєва, О. Євчук, О. |
| citation_txt | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну / О. Аксіментєва, О. Євчук // Праці Наукового товариства ім. Шевченка. — Л., 2010. — Т. XXV: Хемія і біохемія. — С. 188-197. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Праці наукового товариства ім. Шевченка |
| description | Вивчено закономірності електрохімічного одержання гібридних наноструктур на
основі тонких шарів поліаніліну на поверхні поруватого кремнію в умовах електрохімічної полімеризації аніліну з циклічною розгорткою потенціалу. Методом атомносилової мікроскопії досліджено топологію поверхні отриманих структур. Виявлено,
що наявність тонкого поліанілінового шару спричиняє незначний зсув максимуму і
деяке послаблення фотолюмінесценції поруватого кремнію, а також окисновідновну та сенсорну активність одержаних наноструктур.
Ключові слова: поруватий кремній, електрополімеризація, поліанілін, наноструктура, фотолюмінесценція..
Belong the semiconductor materials a special place is occupied by the heterogeneous systems based on
nanoporous silicon (PS), having a wide application in optoelectronic and sensor devices. Of great interest are
the heterostructures created on the PS and surface organic layers, among which the conjugated conducting polymers
now intensively studied. In the present work the possibility of electrochemical obtaining of the hybrid
nanostructures based on thin polyaniline (PANI) layers on the surface of porous silicon in the conditions of
electrochemical polymerization has been investigated. The porous silicon layers were formed by etching of the
silicon wafers (100) with n-type of conductivity in a 40% HF ethyl alcohol solution at a current density of
10 mA.
cm-2 during 20 minutes. For creation of PS-PANI hybrid layer a method of electrochemical polymerization
with cyclic potential sweeping in 0.1M solutions of purified aniline in 0.5 M H2SO4 was used. A wafer of
PS of the area of 1 cm2 was as an operating electrode, a platinum wire was used as a counter electrode and
saturated Ag/AgCl electrode was employed as a reference. The potentiostat PI-50 was a power source. After
film coating the samples were rinsed with deionized water and dried under vacuum at 353 – 373 K. Linear
dependence of the peak current on the potential sweep number in the interval of N = 4…16 give the possibility
to control the process of electroactive film formation on the surface of the porous silicon. The surface topology
of the prepared structures was investigated by the method of atom force microscopy. It found that PANI films
obtained on the surface of PS by electropolymerization method in general repeat the relief of the surface
forming a continuous polymer layer. However, the morphology of the films is difficult interpret due to the
irregularity of PS surface. As has been shown by the profile analysis of PS-polymer heterostructure a thickness
of PS-polymer layer achieves 40–45 nm.
Obtained nanostructures were examined on the ability to photoluminescence (PL) and electrochemical
activity. Higher electrochemical activity of PS-PANI nanostructure in comparison with PS probably connected
with particularities of the polyaniline structure, obtained in the condition of electropolymerization with cyclic
potential sweeping where polymer synthesis proceeds both on the surface and inside the silicon pores. It has
been found that presence of the thin polyaniline layer causes an insignificant displacement of the maximum
and some weakness of PL in comparison with PL of clean porous silicon.
Because electrical and optical properties of PANI is significantly depend on the level of oxidation or
reduction, this polymer is very sensitive to the action of chemical substances (value of рН, adsorption of polar
gases), therefore coating of PS by PANI film may improving the properties of sensor devices based on PS. A
sensor activity of the obtained heterostructures in gas medium has been study. It found that increasing the
ammonia pressure leads to growing the PL intensity, which may be explained by the processes of PANI film
reduction with formation of colorless form of polymer - leucoemeraldine, in result of this increases an optical
transparence of the film and, correspondently, yield of emission.
Key words: porous silicon, electropolymerization, polyaniline, nanostructure, photoluminescence
Изучены закономерности электрохимического получения гибридных наноструктур на основе тонких слоев полианилина на поверхности пористого кремния в условиях электрохимической полимеризации анилина с циклической разверткой потенциала. Методом атомно-силовой микроскопии исследовано топологияю поверхности полученных структур. Установлено, что наличие тонкого полианилинового слоя вызывает незначительный сдвиг максимума и некоторое ослабление фотолюминесценции пористого кремния, а также окислительно - восстановительную и сенсорную активность полученных
гетероструктур.
Ключевые слова: пористый кремний, электрополимеризация, полианилин, наноструктура, фотолюминесценция.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:48:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
Праці НТШ
Хем. Біохем. 2010. Т. 25. C. 188–197
Proc. Sevchenko Sci. Soc.
Chem. Biochem. 2010. Vol. 25. P. 188–197
УДК 544.164
Олена АКСІМЕНТЬЄВА, Оксана ЄВЧУК
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ
ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВІ ПОРУВАТОГО
КРЕМНІЮ І ПОЛІАНІЛІНУ
Львівський національний університет імені Івана Франка,
вул. Кирила і Мефодія, 6, Львів 79005, Україна
e-mail: aksimen@ukr.net; yevchuk81@mail.ru
Вивчено закономірності електрохімічного одержання гібридних наноструктур на
основі тонких шарів поліаніліну на поверхні поруватого кремнію в умовах електрохі-
мічної полімеризації аніліну з циклічною розгорткою потенціалу. Методом атомно-
силової мікроскопії досліджено топологію поверхні отриманих структур. Виявлено,
що наявність тонкого поліанілінового шару спричиняє незначний зсув максимуму і
деяке послаблення фотолюмінесценції поруватого кремнію, а також окисно-
відновну та сенсорну активність одержаних наноструктур.
Ключові слова: поруватий кремній, електрополімеризація, поліанілін, нанострукту-
ра, фотолюмінесценція..
Вступ
Електронні властивості кремнію можна змінювати внаслідок формування на
його основі наноструктур – просторово розділених кремнієвих ділянок з мінімаль-
ними розмірами в декілька нанометрів [1]. Такі структури називають “поруватим
кремнієм” і їх широко застосовують у різних галузях техніки, зокрема, в оптоелек-
троніці та сенсориці [1-4]. Найважливіша властивість поруватого кремнію, на від-
міну від монокристалічного, – здатність до фотолюмінесценції (ФЛ) у видимому
та ближньому ІЧ-діапазоні спектра, збудження якої стає можливим завдяки нано-
метровим розмірам поруватої структури [3]. Викликають зацікавлення гетеро-
структури, створені на основі поруватого кремнію (ПК) і поверхневих органічних
шарів, серед яких досить активно останнім часом досліджують спряжені електро-
провідні полімери, зокрема, поліанілін (ПАН) [4, 5]. Наявність плівки електропро-
відного полімеру на поверхні ПК може слугувати пасивуючим шаром і електро-
провідним контактом, а при густині струму і > 0,5 А/см2 в такій гетероструктурі
може спостерігатись “видима” електролюмінісценція [5]. Внаслідок того, що
електричні властивості ПАН суттєво залежать від ступеня окиснення чи протону-
вання [6], цей полімер доволі чутливий до дії хімічних чинників (величини рН, ад-
сорбції полярних газів), тому нанесення плівок ПАН може поліпшити властивості
сенсорних пристроїв на основі ПК [4]. У зв’язку з цим виникає необхідність роз-
mailto:aksimen@ukr.net;
mailto:yevchuk81@mail.ru
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА... 189
робки та удосконалення методів одержання тонких шарів поліаніліну на поверхні
поруватого кремнію.
Одержання поліанілінового шару на ПК проводять методом вакуумного напи-
лення [2], розтіканням розчину полімеру по поверхні ПК з наступним випарову-
ванням розчинника [5] та методом електрополімеризації [7]. Враховуючи доволі
великі розміри полімерних молекул та їхню глобулярну структуру, у перших двох
випадках важко очікувати глибокого проникнення макромолекул полімеру в пори
кремнію, навіть після ультразвукової обробки. З іншого боку, в умовах електрохі-
мічної полімеризації, коли полімер синтезується з вихідних мономерних молекул
безпосередньо на струмопровідній поверхні, існує ймовірність проникнення моно-
мера в пори кремнію і проходження полімеризаційного процесу безпосередньо в
глибинi пор [7].
Мета нашої праці – вивчити закономірності електрополімеризаційного одер-
жання наноструктур на основі поруваного кремнію і поліаніліну, дослідити їхні
властивості.
Експериментальна частина
Серед технологічних прийомів отримання наноструктур на основі кремнію най-
доступнішим є створення нанокристалів шляхом витравлювання у монокристаліч-
ному кремнії пустот, які можуть мати розміри в декілька нанометрів [1, 2, 5]. Для
одержання поруватого кремнію ми використовували пластини монокристалічного
кремнію (100) товщиною 460 мкм з провідністю n-типу, що мали питомий опір 6,5
Ом см. Анодування пластин проводили в етанольному розчині плавикової кислоти
(40 об.%) при густині струму 10 мА/см2 та освітленні вольфрамовою лампою
потужністю 150 Вт протягом 20 хв, після чого пластинку з шаром ПК промивали в
етанолі та висушували у вакуумі за температури Т = 373-393 К.
Плівки поліаніліну на поверхні ПК отримували методом електрохімічної полі-
меризації 0,1 М розчину сульфату аніліну в 0,5 М сульфатній кислоті у скляній
триелектродній комірці при кімнатній температурі. Як робочий електрод викорис-
товували пластинки ПК площею 1 см2, закріплені у платиновому тримачі, проти-
електродом була платинова пластинка, електрод порівняння – насичений арген-
тумхлоридний Ag/AgCl (х.с.е.). Після нанесення плівки зразок промивали деіонізо-
ваною водою і сушили в умовах динамічного вакууму при Т = 353-373 К протягом
4 год. Вивчення електрохімічних властивостей ПК-ПАН електродів проводили ме-
тодом циклічної вольтамперометрії (ЦВА) у 0,5 М розчині сульфатної кислоти.
При отриманні спектрів ФЛ джерелом збудження був азотний лазер, який працю-
вав в імпульсному режимі генерації випромінювання з λ=370,1 нм за пікової по-
тужності 40 кВт, тривалості імпульсів 20 нс і частоти 60 Гц. Топологію поверхні
вивчали за допомогою атомно-силової мікроскопії (АСМ) із застосуванням мікрос-
копа “NаnoScope IIIa” в Інституті фізики напівпровідників НАНУ, м. Київ. Про-
грамне забезпечення фірми PSI давало змогу зняти й обробити дані, провести
фільтрації та згладжування, а також статистично проаналізувати отримані АСМ
зображень.
Результати та обговорення
Електрополімеризаційне одержання наноструктур поруватий кремній-поліані-
лін проводять шляхом електролізу поруватого кремнію в розчині аніліну [7], або
електрохімічним травленням монокристалічного кремнію за наявності у травиль-
190 ОЛЕНА АКСІМЕНТЬЄВА, ОКСАНА ЄВЧУК
ному розчині аніліну, тобто процес електрохімічної полімеризації відбувається
одночасно з формуванням поруватої структури (“in situ”[2]), товщина полімерного
шару не регулюється. Водночас густини анодного струму, які застосовують для
анодизації кремнію (10-60 мА/см2), відповідають високим позитивним потенціа-
лам робочого електрода, чим зумовлюють електрохімічну деструкцію поліаніліно-
вого ланцюга [6, 8]. При високих густинах струму у сильно кислих середовищах
можливе окиснення полімеру з утворенням феназинових структур і навіть розчин-
них хіноїдних продуктів [8]. Тому при електрохімічному одержанні тонких плівок
поліаніліну важливою умовою є контроль області потенціалів і струмів електрохі-
мічної полімеризації. Таку змогу може дати метод електроосадження з циклічною
розгорткою потенціалу, добре опрацьований для металічних, вуглецевих та оксид-
них електродів [9-11] і малодосліджений для ПК.
Як з’ясував Г. Зотті і співробітники [10] при електрополімеризації з циклічною
розгорткою потенціалу кількість заряду (Q) і відповідно маса полімеру, електро-
осадженого на електроді, залежить від швидкості (ν) та кількості циклів розгортки
(N) потенціалу відповідно з наближеним співвідношенням
Q ~ ( cN/v)n exp[(αEλ],
в якому с – концентрація мономера (моль/л); α - коефіцієнт перенесення; Eλ - по-
тенціал переключення; В, Q – загальний заряд електроосадження (Кл) після N цик-
лів. Значення ступеневого покажчика n визначається типом мономера, електроліту,
їхньою концентрацією та іншими чинниками. Для поліаніліну в розчині сульфат-
ної кислоти n=2, що зумовлюється особливостями механізму полімеризації [9, 10].
При формуванні плівок похідних поліаніліну на поверхні оксидних електродів,
струми електроокиснення змінюються пропорційно N [12]. Для поруватого крем-
нію такі залежності не вивчали.
Для вивчення умов електрохімічного одержання плівок ПАН на поверхні ПК
при циклічній розгортці потенціалу отримали вольтамперні криві зразків ПК у фо-
новому електроліті (0,5 М сульфатній кислоті) та за наявності мономера за різних
значень швидкості розгортки потенціалу (рис. 1, а, б). Пряма та зворотна гілки
ЦВА – кривої для чистого ПК у фоновому розчині мають вигляд прямої лінії з пев-
ним нахилом, значення якого залежить від опору зразка. З циклічних вольтамперо-
грам, отриманих на ПК електроді в тих самих умовах, але за наявності мономера,
встановлено, що перший цикл розгортки потенціалу характеризується появою ши-
рокого анодного максимуму в області Еа = 1,7-2,0 В, пов’язаного з електроокис-
ненням аніліну (рис.1, крива 1). Вищі значення анодного потенціалу цієї реакції на
ПК порівняно з металевими електродами [6, 9, 10]) ймовірно зумовлені особливос-
тями будови подвійного електричного шару напівпровідника n-типу[13], а саме –
збідненням концентрації носіів заряду у внутрішній обкладці подвійного електрич-
ного шару.
Вигляд ЦВА-кривих, отриманих при наступних циклах розгортки помітно від-
різняється від циклічних вольтамперограм, одержаних на металічних, вуглецевих
та оксидних електродах [9-12] і свідчить про складний характер проходження
електро-полімеризаційних процесів на поверхні ПК та їхній автокаталітичний ха-
рактер. Згідно з існуючими уявленнями про механізм електрохімічної полімериза-
ції аніліну [6, 9, 10] анодне окиснення мономера відбувається внаслідок перенесен-
ня електрона з молекули аніліну на електрод, що супроводжується формуванням
первинних катіон-радикалів, другою стадією є окисне сполучення радикальних
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА... 191
частинок з утворенням димерів, тетраметрів., процес супроводжується окиснен-
ням-відновленням сформованих фрагментів, що призводить до утворення сульфат-
но-легованого спряженого полімерного ланцюга. Поява низки характерних для
електрополімеризації аніліну окисно-відновних максимумів в інтервалі Е = 0,5-
1,2 В [6, 9, 10] та послідовне збільшення струмів цих максимумів (рис. 1, а, б) свід-
чить про утворення електроактивного полімеру. Пропорційна залежність струмів
піків від кількості циклів розгортки в інтервалі N = 4…16 (рис. 2) дає можливість
контролювати процес формування електроактивної плівки на поверхні ПК .
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
I,
м
А
Е, В (х.с.е.)
1
23
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
І,
м
А
Е, В (х.с.е.)
1
15
а) б)
Рис. 1. ЦВА, отримані в процесі електрохімічної полімеризації аніліну на поверхні ПК в
0,1 М розчині аніліну у в 0,5 М H2SO4 при швидкості розгортки потенціалу 40 (а) та 80 (б)
мВ/с та числі циклів : (а) N =1 (1); 5 (2) та 15 (3); (б) N = 1-15.
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
I,
м
A
N, цикли
1
2
Рис. 2. Залежність струму першого анодного максимуму в інтервалі Е = 0,5-0,7 В від
кількості циклів (N) у процесі електросинтезу поліаніліну на поверхні поруватого кремнію
при швидкості розгортки 80 (1) та 40 (2) мВ/с.
Для з’ясування вияснення характеру поверхневих утворень досліджували топо-
логію отриманих гетероструктур за допомогою АСМ (рис. 3, а, б).
192 ОЛЕНА АКСІМЕНТЬЄВА, ОКСАНА ЄВЧУК
а) б)
Рис. 3. АСМ зображення поверхні монокристалічного (а) та поруватого кремнію (б).
Як можна бачити з отриманих за допомогою АСМ зображень, в результаті ано-
дизації поверхні монокристального кремнію відбувається утворення періодичних
структур (пор), розміри яких становлять від 5 до 50 нм. Вигляд утворених нано-
структур в об’ємному, 3D зображенні (рис. 4, а) свідчить про формування нано-
стержнів (нанокристалів) кремнію. Внаслідок електрохімічної полімеризації по-
верхня ПК вкривається рівномірним шаром поліаніліну (рис. 4, б). Результати ста-
тистичного аналізу зображень поверхні ПК та отриманих гетероструктур засвідчи-
ли, що при глибині пор ПК понад 200 нм товщина гібридного шару ПК-полімер
досягає 40–45 нм, у цьому разі зберігається глобулярна структура полімеру.
Г
а) б)
Рис. 4. АСМ зображення та профіль поверхні (а) поруватого кремнію, отриманого
анодизацією монокристалічного кремнію, (б) плівки ПАН на поверхні поруватого кремнію.
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА... 193
Отримані в результаті проведення послідовних циклів сканування потенціалу
(N = 12) зразки ПК-ПАН були досліджені на здатність до фотолюмінесценції та
електрохімічної активності. На рис. 5 зображено циклічну вольтамперограму, яку
отримали при дослідженні електрохімічної поведінки ПК-ПАН електрода у водних
розчинах сульфатної кислоти, на рис. 6 – спектри фотолюмінесценції отриманих
структур.
Вигляд ЦВА кривих та порівняння їх з вихідним зразком (рис. 1, а,. крива 1)
свідчить про підвищену окисно-відновну активність ПК-ПАН електрода порівняно
з чистим ПК, яка зумовлюється електрохімічними реакціями полімерного шару,
сформованого на поверхні ПК. Наявність на циклічній вольтамперограмі оборот-
них анодно-катодних максимумів при Е = 0,2-0,3 та 0,5-0,6 В, властивих процесам
допування (легування) - дедопування ПАН з відповідним приєднанням-вивільнен-
ням легуючих аніонів HSO4
- [6, 9–11], свідчить про збереження молекулярної бу-
дови полімеру та його здатності до окисно-відновних реакцій на поверхні порува-
того напівпровідника. Одержані результати добре узгоджуються зі виявленим ра-
ніше фактом поліпшення сенсорних [4] і вольтамперних характеристик гетеро-
структур ПК-ПАН порівняно з чистим ПК [7].
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
-0,04
-0,02
0,00
0,02
0,04
0,06
I,
м
A
E, В
Рис. 5. Циклічна вольтамперограма, яку отримали у розчині 0,5 М сульфатної кислоти
(ν = 80 мВ/с) для поруватого кремнію з плівкою ПАН, одержаною з 0,1 М розчину аніліну в
0,5 М H2SO4 при N =12 та ν =40 мВ/с.
Оскільки визначення істинної площі поверхні поруватого кремнію доволі
складна задача то оцінку товщини полімерного шару на ПК проводять здебільшого
для плівки полімеру, отриманої в аналогічних умовах на поверхні скла або ІТО
електрода [2, 5]. Водночас застосування методу ЦВА дає змогу оцінити поверхне-
ву концентрацію полімеру за кількістю заряду, який витратили в процесі електро-
синтезу, або пішов на окиснення-відновлення електроактивного шару в процесі
електрохімічного легування [14]. Використовуючи останній підхід, внаслідок
інтегрування ЦВА-кривої (рис. 4) знайдено, що кількість заряду, витраченого на
окиснення-відновлення плівки ПАН на поверхні ПК становить 0,312 мКл/см2, що
відповідає поверхневій концентрації електроактивної речовини Гі = 3,24.10-9
194 ОЛЕНА АКСІМЕНТЬЄВА, ОКСАНА ЄВЧУК
моль/см2. Це значення добре узгоджується поверхневим покриттям, оціненим для
плівок, отриманих у подібних умовах на поверхні SnO2 електрода [11, 12].
Як видно зі спектрів фотолюмінесценції, зображених на рис. 6, за наявності
ПАН на поверхні ПК спостерігають “червону” ФЛ, однак відбувається деяке її
послаблення порівняно з ФЛ чистого ПК з одночасним незначним зсувом макси-
муму в бік менших довжин хвиль: для ПК максимум ФЛ спостерігають при
λmax = 696 нм, для структури ПК-ПАН λmax= 694 нм.
Спектральні характеристики ФЛ для гетероструктури ПК-ПАН мають значно
вищі показники порівняно з аналогічними структурами, коли плівку ПАН отриму-
ють з розчину полімеру, синтезованого методом хімічної полімеризації. Зокрема,
зменшення інтенсивності ФЛ у досліджуваній ст)руктурі становить лише 35-40 %
(стосовно 65 % [5]), а зсув максимуму випромінення не перевищує 2 нм [5]).
400 500 600 700 800
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1
2
I,
в.
о.
Довжина хвилі, нм
100 200 300 400 500
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
Ін
те
нс
ив
ні
ст
ь
Ф
Л,
в
.о
.
P, ppm
а б
Рис. 6. Спектр фотолюмінесценції ПК (1) та гетероструктури ПК-ПАН (2) (а); залежність
інтенсивності фотолюмінісценції структури ПК-ПАН на довжині хвилі 700 нм
від тиску аміаку (б).
Спостережений ефект можливо пов’язаний з особливостями структури поліані-
ліну, отриманого в умовах електрополімеризації з циклічною розгорткою потенці-
алу, коли синтез полімеру відбувається не тільки на поверхні, а й у порах кремнію.
Випромінюючі властивості гетероструктури поруватий кремній-поліанілін зале-
жать від наявності газового середовища. Як видно з зображених на рис. 6, б даних,
зростання тиску аміаку веде до збільшення інтенсивності ФЛ, що можна пояснити
процесами відновлення поліанілінової плівки з формуванням безбарвної форми
полімеру – лейкоемеральдину, внаслідок чого збільшується оптична прозорість
плівки і, відповідно, вихід випромінювання.
Висновки
Проведені дослідження свідчать про те, що метод електрохімічної полімериза-
ції з циклічною розгорткою потенціалу може бути використаний для керованого
одержання тонких полімерних плівок на поверхні поруватого кремнію. Отримані
на основі ПК і поліаніліну наноструктури характеризуються підвищеною електро-
хімічною активністю і покращеними фотолюмінесцентними характеристиками по-
рівняно з гетероструктурами такого типу, отриманими іншими методами. Виявле-
ний ефект зростання інтенсивності ФЛ під дією аміаку може бути використаний
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА... 195
для створення газових сенсорів на основі гібридних наноструктур поруватий крем-
ній – поліанілін.
Подяка. Автори висловлюють вдячність д-ру тех. наук, професорові НУ
“Львівська Політехніка” Стахірі Павлу Йосиповичу за допомогу у знятті й обгово-
ренні спектрів фотолюмінесценції.
ЛІТЕРАТУРА
1. Примаченко В.Е. Электронные и излучательные свойства пористого кремния, легиро-
ванного золотом / В.Е. Примаченко, Я.Ф. Кононец, Б.М. Булах, и др. // Физика и тех-
ника полупроводников. – 2005. – Т.39, №5. – С. 595-601.
2. Jayachandran M. Synthesis of porous silicon nanostructures for photoluminescent devices /
M. Jayachandran, M. Paramasivam, K.R. Murali, [et al] // Mater. Phys. Mech. – 2001. –
Vol.4. – P.143-147.
3. Aksimentyeva O.I. Electronic processes in conducting polymer-porous silicon interface /
O.I. Aksimentyeva, P.Y. Stakhira, L.S. Monastyrskyi, B.M., [et al] // Molec.Cryst.& Liq.
Cryst. – 2007. – Vol. 467. – P.73 - 83.
4. Стахіра П.Й. Газовий сенсор на основі гетероструктури поруватий кремній-поліанілін /
П.Й. Стахіра, О.І. Аксіментьєва, І.П. Глушик, [та ін.] // Восточно-Европейский журнал
передовых технологий. – 2005. – №17. – С.127-129.
5. Halliday D.P. Visible electroluminescence from polyaniline — porouse silicon junction /
D.P. Halliday, J.M. Eggleston, P.N. Adams, [et al] // Synth. Metals. – 1997. – Vol. 85. –
P.1245-1246.
6. Аксіментьєва О.І. Електрохімічні методи синтезу і провідність спряжених полімерів /
Аксіментьєва О.І. – Львів: Світ, 1998. – 154 с.
7. Stakhira P. Fotovoltaic properties of heterostructure based on porous silicon and polyaniline /
P. Stakhira, O. Aksimentyeva, Z. Mykytyuk, [et al] // Functional Materials. – 2005. –
Vol. 12, № 4. – P.807-809.
8. Genies E.M. Cyclic voltammetry of polyaniline: interpretation of the middle peak / Genies
E.M., Lapkowsky M., Denneov J.F. // J.Electroanal. Chem. – 1988. – Vol. 240. – P. 97 - 107.
9. Choi S.-J. Electrochemistry of conducting polymers. XXVI. Effect of Electrolytes and
Growth Methods on Polyaniline Morphology / Choi S.-J., Park S.-M. // J.Electrochem. Soc. –
2002. – Vol. 149, № 2. – E26-E37.
10. Zotti G. Electrodeposition of polythiophene, polypyrrole and polyaniline by the cyclic poten-
tial sweep method / Zotti G., Cattarin S., Comisso N. // J.Electroanal.Chem. – 1987. –
Vol. 235. – P.259-273.
11. Konopelnik O.I. Electrochromic transitions in polyaminoarene films electrochemically
obtained on the transparent electrodes / O.I.Konopelnik, O.I.Aksimentyeva, M.Ya.Grytsiv //
Materials Science. – 2002. – Vol. 20, № 4.- P. 49-60.
12. Аксіментьєва О.І., Лупшак Н.-О., Конопельник О.І., Гриців М.Я. Електрохімічне одер-
жання полімерних шарів з електрооптичними властивостями // Вісник Львів. ун-ту.
Сер. хім. – 2002. – Вип. 42. – С.114-116.
13. Гуревич Ю. Фотоэлектрохимия полупроводников / Ю. Гуревич, Ю.В. Плесков.-М.:
Наука, 1983.
14. Nyasulu F.W.M. Electrochemical behavior of 5-amino-1,10- phenantroline and oxidative
electropolymerization of tris[5-amino-1,10-phenantroline]iron(II) / F.W.M.Nyasulu, H.A.
Mottola // J.Electroanal.Chem. – 1988. – Vol. 239. – P. 175-183.
196 ОЛЕНА АКСІМЕНТЬЄВА, ОКСАНА ЄВЧУК
SUMMARY
Olena AKSIMENTYEVA, Oksana YEVCHUK
ELECTROCHEMICAL OBTAINING AND PROPERTIES OF THE HYBRID NANOSTRUCTURES
BASED ON POROUS SILICON AND POLYANILINE
Ivan Franko National University of Lviv
Kyryla&Mefodia str., 6, 79005 Lviv, Ukraine
e-mail: aksimen@ukr.net; yevchuk81@mail.ru
Belong the semiconductor materials a special place is occupied by the heterogeneous systems based on
nanoporous silicon (PS), having a wide application in optoelectronic and sensor devices. Of great interest are
the heterostructures created on the PS and surface organic layers, among which the conjugated conducting po-
lymers now intensively studied. In the present work the possibility of electrochemical obtaining of the hybrid
nanostructures based on thin polyaniline (PANI) layers on the surface of porous silicon in the conditions of
electrochemical polymerization has been investigated. The porous silicon layers were formed by etching of the
silicon wafers (100) with n-type of conductivity in a 40% HF ethyl alcohol solution at a current density of
10 mA.cm-2 during 20 minutes. For creation of PS-PANI hybrid layer a method of electrochemical polymeriza-
tion with cyclic potential sweeping in 0.1M solutions of purified aniline in 0.5 M H2SO4 was used. A wafer of
PS of the area of 1 cm2 was as an operating electrode, a platinum wire was used as a counter electrode and
saturated Ag/AgCl electrode was employed as a reference. The potentiostat PI-50 was a power source. After
film coating the samples were rinsed with deionized water and dried under vacuum at 353 – 373 K. Linear
dependence of the peak current on the potential sweep number in the interval of N = 4…16 give the possibility
to control the process of electroactive film formation on the surface of the porous silicon. The surface topology
of the prepared structures was investigated by the method of atom force microscopy. It found that PANI films
obtained on the surface of PS by electropolymerization method in general repeat the relief of the surface
forming a continuous polymer layer. However, the morphology of the films is difficult interpret due to the
irregularity of PS surface. As has been shown by the profile analysis of PS-polymer heterostructure a thickness
of PS-polymer layer achieves 40–45 nm.
Obtained nanostructures were examined on the ability to photoluminescence (PL) and electrochemical
activity. Higher electrochemical activity of PS-PANI nanostructure in comparison with PS probably connected
with particularities of the polyaniline structure, obtained in the condition of electropolymerization with cyclic
potential sweeping where polymer synthesis proceeds both on the surface and inside the silicon pores. It has
been found that presence of the thin polyaniline layer causes an insignificant displacement of the maximum
and some weakness of PL in comparison with PL of clean porous silicon.
Because electrical and optical properties of PANI is significantly depend on the level of oxidation or
reduction, this polymer is very sensitive to the action of chemical substances (value of рН, adsorption of polar
gases), therefore coating of PS by PANI film may improving the properties of sensor devices based on PS. A
sensor activity of the obtained heterostructures in gas medium has been study. It found that increasing the
ammonia pressure leads to growing the PL intensity, which may be explained by the processes of PANI film
reduction with formation of colorless form of polymer - leucoemeraldine, in result of this increases an optical
transparence of the film and, correspondently, yield of emission.
Key words: porous silicon, electropolymerization, polyaniline, nanostructure, photoluminescence
РЕЗЮМЕ
Елена АКСИМЕНТЬЕВА, Оксана ЕВЧУК
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ГИБРИДНЫХ НАНОСТРУКТУР НА
ОСНОВЕ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ И ПОЛИАНИЛИНА
Львовский национальный университет имени Ивана Франко,
mailto:aksimen@ukr.net;
mailto:yevchuk81@mail.ru
EЛЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ОДЕРЖАННЯ ТА ВЛАСТИВОСТІ ГІБРИДНИХ НАНОСТРУКТУР НА... 197
ул. Кирилла и Мефодия, 6, 79005 Львов, Украина
e-mail: aksimen@ukr.net; yevchuk81@mail.ru
Изучены закономерности электрохимического получения гибридных наноструктур на основе тон-
ких слоев полианилина на поверхности пористого кремния в условиях электрохимической полимериза-
ции анилина с циклической разверткой потенциала. Методом атомно-силовой микроскопии исследова-
но топологияю поверхности полученных структур. Установлено, что наличие тонкого полианилиново-
го слоя вызывает незначительный сдвиг максимума и некоторое ослабление фотолюминесценции по-
ристого кремния, а также окислительно - восстановительную и сенсорную активность полученных
гетероструктур.
Ключевые слова: пористый кремний, электрополимеризация, полианилин, наноструктура, фотолю-
минесценция.
Надійшла 28.12.2009.
Після доопрацювання 19.02.2010.
Прийнята до друку 22.02.2010.
mailto:aksimen@ukr.net;
mailto:yevchuk81@mail.ru
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-74467 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1563-3569 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:48:59Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Західний науковий центр НАН України і МОН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Аксіментьєва, О. Євчук, О. 2015-01-20T21:50:28Z 2015-01-20T21:50:28Z 2010 Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну / О. Аксіментєва, О. Євчук // Праці Наукового товариства ім. Шевченка. — Л., 2010. — Т. XXV: Хемія і біохемія. — С. 188-197. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1563-3569 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74467 544.164 Вивчено закономірності електрохімічного одержання гібридних наноструктур на
 основі тонких шарів поліаніліну на поверхні поруватого кремнію в умовах електрохімічної полімеризації аніліну з циклічною розгорткою потенціалу. Методом атомносилової мікроскопії досліджено топологію поверхні отриманих структур. Виявлено,
 що наявність тонкого поліанілінового шару спричиняє незначний зсув максимуму і
 деяке послаблення фотолюмінесценції поруватого кремнію, а також окисновідновну та сенсорну активність одержаних наноструктур.
 Ключові слова: поруватий кремній, електрополімеризація, поліанілін, наноструктура, фотолюмінесценція.. Belong the semiconductor materials a special place is occupied by the heterogeneous systems based on
 nanoporous silicon (PS), having a wide application in optoelectronic and sensor devices. Of great interest are
 the heterostructures created on the PS and surface organic layers, among which the conjugated conducting polymers
 now intensively studied. In the present work the possibility of electrochemical obtaining of the hybrid
 nanostructures based on thin polyaniline (PANI) layers on the surface of porous silicon in the conditions of
 electrochemical polymerization has been investigated. The porous silicon layers were formed by etching of the
 silicon wafers (100) with n-type of conductivity in a 40% HF ethyl alcohol solution at a current density of
 10 mA.
 cm-2 during 20 minutes. For creation of PS-PANI hybrid layer a method of electrochemical polymerization
 with cyclic potential sweeping in 0.1M solutions of purified aniline in 0.5 M H2SO4 was used. A wafer of
 PS of the area of 1 cm2 was as an operating electrode, a platinum wire was used as a counter electrode and
 saturated Ag/AgCl electrode was employed as a reference. The potentiostat PI-50 was a power source. After
 film coating the samples were rinsed with deionized water and dried under vacuum at 353 – 373 K. Linear
 dependence of the peak current on the potential sweep number in the interval of N = 4…16 give the possibility
 to control the process of electroactive film formation on the surface of the porous silicon. The surface topology
 of the prepared structures was investigated by the method of atom force microscopy. It found that PANI films
 obtained on the surface of PS by electropolymerization method in general repeat the relief of the surface
 forming a continuous polymer layer. However, the morphology of the films is difficult interpret due to the
 irregularity of PS surface. As has been shown by the profile analysis of PS-polymer heterostructure a thickness
 of PS-polymer layer achieves 40–45 nm.
 Obtained nanostructures were examined on the ability to photoluminescence (PL) and electrochemical
 activity. Higher electrochemical activity of PS-PANI nanostructure in comparison with PS probably connected
 with particularities of the polyaniline structure, obtained in the condition of electropolymerization with cyclic
 potential sweeping where polymer synthesis proceeds both on the surface and inside the silicon pores. It has
 been found that presence of the thin polyaniline layer causes an insignificant displacement of the maximum
 and some weakness of PL in comparison with PL of clean porous silicon.
 Because electrical and optical properties of PANI is significantly depend on the level of oxidation or
 reduction, this polymer is very sensitive to the action of chemical substances (value of рН, adsorption of polar
 gases), therefore coating of PS by PANI film may improving the properties of sensor devices based on PS. A
 sensor activity of the obtained heterostructures in gas medium has been study. It found that increasing the
 ammonia pressure leads to growing the PL intensity, which may be explained by the processes of PANI film
 reduction with formation of colorless form of polymer - leucoemeraldine, in result of this increases an optical
 transparence of the film and, correspondently, yield of emission.
 Key words: porous silicon, electropolymerization, polyaniline, nanostructure, photoluminescence Изучены закономерности электрохимического получения гибридных наноструктур на основе тонких слоев полианилина на поверхности пористого кремния в условиях электрохимической полимеризации анилина с циклической разверткой потенциала. Методом атомно-силовой микроскопии исследовано топологияю поверхности полученных структур. Установлено, что наличие тонкого полианилинового слоя вызывает незначительный сдвиг максимума и некоторое ослабление фотолюминесценции пористого кремния, а также окислительно - восстановительную и сенсорную активность полученных
 гетероструктур.
 Ключевые слова: пористый кремний, электрополимеризация, полианилин, наноструктура, фотолюминесценция. uk Західний науковий центр НАН України і МОН України Праці наукового товариства ім. Шевченка Хемія Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну Еlectrochemical obtaining and properties of the hybrid nanostructures based on porous silicon and polyaniline Электрохимическое получение и свойства гибридных наноструктур на основе пористого кремния и полианилина Article published earlier |
| spellingShingle | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну Аксіментьєва, О. Євчук, О. Хемія |
| title | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| title_alt | Еlectrochemical obtaining and properties of the hybrid nanostructures based on porous silicon and polyaniline Электрохимическое получение и свойства гибридных наноструктур на основе пористого кремния и полианилина |
| title_full | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| title_fullStr | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| title_full_unstemmed | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| title_short | Елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| title_sort | елелектрохімічне одержання та властивості гібридних наноструктур на основі поруватого кремнію і поліаніліну |
| topic | Хемія |
| topic_facet | Хемія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74467 |
| work_keys_str_mv | AT aksímentʹêvao elelektrohímíčneoderžannâtavlastivostígíbridnihnanostrukturnaosnovíporuvatogokremníûípolíanílínu AT êvčuko elelektrohímíčneoderžannâtavlastivostígíbridnihnanostrukturnaosnovíporuvatogokremníûípolíanílínu AT aksímentʹêvao electrochemicalobtainingandpropertiesofthehybridnanostructuresbasedonporoussiliconandpolyaniline AT êvčuko electrochemicalobtainingandpropertiesofthehybridnanostructuresbasedonporoussiliconandpolyaniline AT aksímentʹêvao élektrohimičeskoepolučenieisvoistvagibridnyhnanostrukturnaosnoveporistogokremniâipolianilina AT êvčuko élektrohimičeskoepolučenieisvoistvagibridnyhnanostrukturnaosnoveporistogokremniâipolianilina |