Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники
В данной работе с использованием технологии Tape Casting получены керамические наноструктурные плёнки микронной толщины 8—23 мкм. Структура, морфология и оптические свойства плёнок изучены. Показано, что полученные плёнки являются прозрачными в среднем инфракрасном диапазоне. Изучена зависимость вид...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75215 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники / В.А. Лубенец, О.А. Горбань, И.Л. Любчанский, В.В. Бурховецкий, И.А. Даниленко, Г.К. Волкова, Т.Е. Константинова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75215 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Лубенец, В.А. Горбань, О.А. Любчанский, И.Л. Бурховецкий, В.В. Даниленко, И.А. Волкова, Г.К. Константинова, Т.Е. 2015-01-27T17:39:40Z 2015-01-27T17:39:40Z 2012 Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники / В.А. Лубенец, О.А. Горбань, И.Л. Любчанский, В.В. Бурховецкий, И.А. Даниленко, Г.К. Волкова, Т.Е. Константинова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 42.70.Qs, 68.37.Hk, 68.55.J-, 78.20.Ci, 78.66.-w, 78.67.-n, 81.15.-z https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75215 В данной работе с использованием технологии Tape Casting получены керамические наноструктурные плёнки микронной толщины 8—23 мкм. Структура, морфология и оптические свойства плёнок изучены. Показано, что полученные плёнки являются прозрачными в среднем инфракрасном диапазоне. Изучена зависимость вида интерференционной картины от толщины синтезированных плёнок. У даній роботі з використанням технології Tape Casting одержано керамічні наноструктурні плівки мікронної товщини 8—23 мкм. Структуру, морфологію і оптичні властивості плівок вивчено. Показано, що одержані плівки є прозорими в середньому інфрачервоному діяпазоні. Вивчено залежність вигляду інтерференційної картини від товщини синтезованих плівок. A given paper is concerned with investigations of fabrication of the nanostructured ceramic films with thickness of 8—23 μm using the Tape Casting technology. Structure, morphology, and optical properties are studied. As shown, the obtained films are transparent in a medium infrared range. The relation of form of the interference pattern depending on the synthesized-films’ thickness is studied. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| spellingShingle |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники Лубенец, В.А. Горбань, О.А. Любчанский, И.Л. Бурховецкий, В.В. Даниленко, И.А. Волкова, Г.К. Константинова, Т.Е. |
| title_short |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| title_full |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| title_fullStr |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| title_full_unstemmed |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| title_sort |
структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники |
| author |
Лубенец, В.А. Горбань, О.А. Любчанский, И.Л. Бурховецкий, В.В. Даниленко, И.А. Волкова, Г.К. Константинова, Т.Е. |
| author_facet |
Лубенец, В.А. Горбань, О.А. Любчанский, И.Л. Бурховецкий, В.В. Даниленко, И.А. Волкова, Г.К. Константинова, Т.Е. |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| description |
В данной работе с использованием технологии Tape Casting получены керамические наноструктурные плёнки микронной толщины 8—23 мкм. Структура, морфология и оптические свойства плёнок изучены. Показано, что полученные плёнки являются прозрачными в среднем инфракрасном диапазоне. Изучена зависимость вида интерференционной картины от толщины синтезированных плёнок.
У даній роботі з використанням технології Tape Casting одержано керамічні наноструктурні плівки мікронної товщини 8—23 мкм. Структуру, морфологію і оптичні властивості плівок вивчено. Показано, що одержані плівки є прозорими в середньому інфрачервоному діяпазоні. Вивчено залежність вигляду інтерференційної картини від товщини синтезованих плівок.
A given paper is concerned with investigations of fabrication of the nanostructured ceramic films with thickness of 8—23 μm using the Tape Casting technology. Structure, morphology, and optical properties are studied. As shown, the obtained films are transparent in a medium infrared range. The relation of form of the interference pattern depending on the synthesized-films’ thickness is studied.
|
| issn |
1816-5230 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75215 |
| citation_txt |
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок для фотоники / В.А. Лубенец, О.А. Горбань, И.Л. Любчанский, В.В. Бурховецкий, И.А. Даниленко, Г.К. Волкова, Т.Е. Константинова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 99-104. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT lubenecva strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT gorbanʹoa strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT lûbčanskiiil strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT burhoveckiivv strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT danilenkoia strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT volkovagk strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki AT konstantinovate strukturaisvoistvananostrukturnyhkeramičeskihplenokdlâfotoniki |
| first_indexed |
2025-11-26T00:07:04Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:07:04Z |
| _version_ |
1850591624888844288 |
| fulltext |
99
PACS numbers: 42.70.Qs, 68.37.Hk,68.55.J-,78.20.Ci,78.66.-w,78.67.-n, 81.15.-z
Структура и свойства наноструктурных керамических плёнок
для фотоники
В. А. Лубенец, О. А. Горбань
*, И. Л. Любчанский
*, В. В. Бурховецкий
*,
И. А. Даниленко
*, Г. К. Волкова
*, Т. Е. Константинова
*
Донецкий национальный университет,
ул. Университетская, 24,
83001 Донецк, Украина
*Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины,
ул. Р. Люксембург, 72,
83114 Донецк, Украина
В данной работе с использованием технологии Tape Casting получены ке-
рамические наноструктурные плёнки микронной толщины 8—23 мкм.
Структура, морфология и оптические свойства плёнок изучены. Показа-
но, что полученные плёнки являются прозрачными в среднем инфракрас-
ном диапазоне. Изучена зависимость вида интерференционной картины
от толщины синтезированных плёнок.
У даній роботі з використанням технології Tape Casting одержано керамі-
чні наноструктурні плівки мікронної товщини 8—23 мкм. Структуру,
морфологію і оптичні властивості плівок вивчено. Показано, що одержані
плівки є прозорими в середньому інфрачервоному діяпазоні. Вивчено за-
лежність вигляду інтерференційної картини від товщини синтезованих
плівок.
A given paper is concerned with investigations of fabrication of the
nanostructured ceramic films with thickness of 8—23 μm using the Tape Cast-
ing technology. Structure, morphology, and optical properties are studied.
As shown, the obtained films are transparent in a medium infrared range.
The relation of form of the interference pattern depending on the synthe-
sized-films’ thickness is studied.
Ключевые слова: наноструктурные плёнки, диоксид циркония, техноло-
гия Tape Casting, интерференция.
(Получено 30 октября 2010 г.)
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2012, т. 10, № 1, сс. 99—104
© 2012 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
100 В. А. ЛУБЕНЕЦ, О. А. ГОРБАНЬ, И. Л. ЛЮБЧАНСКИЙ и др.
1. ВВЕДЕНИЕ
Технологии создания фотонных кристаллов (ФК) – искусственных
структур, состоящих из компонентов с различными показателями
преломления [1], представляют несомненный интерес, поскольку в
последние годы фотонно-кристаллические структуры находят ши-
рокое применение в качестве основы элементной базы приборов и
устройств современной фотоники и оптоэлектроники [2]. Совре-
менное состояние развития этих технологий базируется на высоком
уровне теоретических разработок, которые активно развиваются
исследователями многих научных школ. Построение ФК любой
размерности основывается на создании оптических элементов, в
частности, пленок с толщинами, сравнимыми с длиной волны соот-
ветствующего электромагнитного излучения, свойства которых во
многом определяются внутренней структурой и морфологией пле-
нок. В настоящей работе мы сконцентрировали свое внимание на
исследованиях структуры и оптических свойствах пленочных ма-
териалов на основе диоксида циркония, полученных методом Tape
Casting [3]. Наш выбор данной технологии создания пленок и мате-
риала для их изготовления [4] основан, прежде всего, на перспек-
тивности их использования. Поскольку этот метод позволяет полу-
чать пленки как самостоятельные структурные элементы достаточ-
но протяженных размеров с толщинами от 2 мкм и более, а его ме-
тодология основана на использовании самоорганизации наночастиц
в среде сольвента и полимера с регулируемой вязкостью. Это дает
возможность, варьируя природу наночастиц, сольвента, полимера,
а также режимов отжига, создавать пленки с различной морфоло-
гией, плотностью и пористостью [5].
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Литье пленок с заданными толщинами выполняли на установке Tape
Casting фирмы Mistler с использованием шликерной массы на основе
нанопорошка диоксида циркония с характерными размерами 31 нм.
В качестве связки при изготовлении шликерной массы использован
поливинилбутираль, как дисперсант – рыбий жир, в качестве пла-
стификаторов – бутилбензилфталат и полиалкиленгликоль. В каче-
стве сольвента использована смесь толуола и спирта в соотношении
1:1. Удаление сольвента из сырой пленки осуществлено при темпе-
ратуре 30°С. Выведение связки из пленки осуществлено в многосту-
пенчатом режиме до 600°С, спекание выполняли при 1100°С и
1500°С со скоростью подъема температуры 3°/мин. Морфология по-
верхности и внутренняя структура пленки изучена методом растро-
вой электронной микроскопии с использованием растрового элек-
тронного микроскопа JSM-6490 LV (Япония) в режиме вторичных
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛЁНОК 101
электронов. Фазовый состав пленок исследован с помощью метода
рентгеноструктурного анализа (РСА), исследования выполнены с
помощью дифрактометра ДРОН 3. Размер областей когерентного
рассеяния рентгеновских лучей (ОКР) рассчитывали, используя ме-
тод Селякова—Шеррера:
D = 0,94λ/(βcosθ), (1)
где D – диаметр ОКР; λ – длина волны рентгеновского излучения;
β – физическое уширение дифракционного пика; θ – брэгговский
угол. Точность определения величины ОКР составила ±5%.
Оптические свойства спеченной керамической пленки были иссле-
дованы методом ИК-спектрометрии. Для измерений использовался
прибор Bruker TENSOR 27 Series FT-IR Spectrometer (границы изме-
рений: 7500—400 см
−1, количество сканов: 30, разрешение: 4 см
−1).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В ходе микроструктурных исследований поверхности сырой плен-
ки (см. рис. 1), а также пленочных образцов, спеченных при темпе-
ратурах 1100°С и 1500°С, было установлено, что однородная струк-
тура системы формируется еще на стадии полимерно-керамической
пленки. Изучение морфологии такой полимерно-керамической
пленки показало, что ее основу составляют глобулы с размером
около 500 нм, состоящие из частиц, размером 31 нм (см. рис. 1, б),
которые являются прообразами зерен, формирующихся при их по-
следующей температурной обработке пленки. Согласно данным
растровой электронной микроскопии (РЭМ), структура пленок,
спеченных при температуре 1100°С (см. рис. 1, в), образована гло-
булярными агрегатами частиц размером около 200—400 нм.
Отметим, что структура пленок имеет развитую систему пор с раз-
мерами, сопоставимыми с размерами глобулярных агрегатов в по-
лимерной пленке. Такая структура пленок, спеченных при темпера-
туре 1100°С, вероятно, обусловлена неодинаковыми скоростями
усадки при спекании наночастиц внутри глобул и глобул между со-
бой. Отметим, что внутренняя структура глобул из наночастиц опре-
деляется природой полимера. И в процессе удаления полимера про-
исходит стягивание глобул, что приводит к интенсификации процес-
са межчастичного взаимодействия и более выгодной упаковке нано-
частиц в глобуле. Это способствует хорошему спеканию наночастиц
внутри глобул. Взаимодействие частиц между глобулами на этом
этапе реализуется не в полной мере, что и приводит к формированию
развитого порового пространства между глобулами. Анализ струк-
туры керамической пленки, спеченной при температуре 1500°С, по-
казывает наличие зерен округлой формы с размерами 200—300 нм.
102 В. А. ЛУБЕНЕЦ, О. А. ГОРБАНЬ, И. Л. ЛЮБЧАНСКИЙ и др.
Известно, что для диоксида циркония при таких температурах фор-
мирование зерен происходит в результате рекристаллизации зерен,
сформированных при более низких температурах. Согласно данным
РЭМ, в пленках на основе диоксида циркония при этих температурах
формируется достаточно однородная структура с хорошо огранен-
ными зернами и незначительным количеством пор, что немаловажно
для применения таких структур в фотонике.
Изучение фазового состава при спекании керамических пленок
показало, что повышение температуры спекания приводит к появ-
лению кубической фазы в количестве 12%. Это хорошо согласуется
с данными электронной микроскопии, согласно которой в структу-
ре пленок при температуре отжига 1500°С, наблюдаются большие
зерна (см. рис. 1). Характерный размер ОКР тетрагональной фазы
для структуры спеченных пленок при 1500°С равен 104 нм.
В работе изучены электродинамические свойства пленок разной
а б
в г
Рис. 1. Внешний вид и морфология эволюции тонкой пленки (по данным
РЭМ): а – вид сырой пленки на подложке; б – микрофотография пленки,
высушенной при температуре 30°С; в – спеченной при температуре
1100°С; г – спеченной при температуре 1500°С.
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛЁНОК 103
толщины, спеченные при температуре 1500°С, в ближнем и среднем
ИК-диапазоне. Спектры отражения этих образцов представлены на
рис. 2. Как видно из представленных графиков, в области длин волн
от 4000 до 1000 см
−1
наблюдается интерференционная картина, кото-
рую можно объяснить соизмеримостью толщины образца и длины
волны рабочего излучения. В области ниже 1000 см
−1
наблюдается
широкая полоса поглощения ИК-излучения, обусловленная погло-
щением связей Zr—O решетки диоксида циркония.
Отметим, что вид интерференционной зависимости зависит от
толщины образца, что согласуется с теорией интерференции в тон-
ких пленках [6]. Уменьшение толщины образца приводит к увеличе-
нию расстояния между соседними максимумами в интерференцион-
ной картине и снижению интенсивности амплитуды. Амплитуда пи-
ков максимальна в диапазоне 1250—1500 см
−1, а наиболее четкой яв-
ляется интерференционная картина пленок, толщины которых
находятся в интервале от 18 до 23 микрон. Далее, при уменьшении
длины волны амплитуда пиков уменьшается.
4. ВЫВОДЫ
В работе исследована возможность использования тонкопленочной
технологии для конструирования отдельных фрагментов одномер-
ного ФК с нужными геометрическими параметрами.
Показано, что использование нанопорошков диоксида циркония
позволяет создавать наноструктурные керамические пленки доста-
точно больших размеров с однородной структурой, которые будут
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения от длины волны электро-
магнитного излучения для пленок различной толщины.
104 В. А. ЛУБЕНЕЦ, О. А. ГОРБАНЬ, И. Л. ЛЮБЧАНСКИЙ и др.
прозрачны в видимом и среднем ИК-диапазоне.
Обнаружено наличие интерференционной картины в области
длин волн от 4000 до 1000 см
−1, вид которой зависит от толщины ис-
следуемой пленки.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn, and R. D. Meade, Photonic
Crystals. Molding the Flow of Light (New Jersey: Princeton University
Press: 2008).
2. S. G. Johnson and J. D. Joannopoulos, Photonic Crystals: The Road from
Theory to Practice (New York: Springer: 2002).
3. O. A. Gorban’, V. A. Lubenets, I. L. Lyubchanskii, V. V. Burkhovetskii, I. A.
Danilenko, and T. E. Konstantinova, High Energy Chemistry, 43, No. 7: 566
(2009).
4. Т. Е. Константинова, И. А. Даниленко, В. В. Токий и др., Наносистеми,
наноматеріали, нанотехнології, 2: 609 (2004).
5. R. E. Mistler and E. R. Twiname, Tape Casting Theory and Practice
(Westerville: The American Ceramic Society: 2000).
6. М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики (Москва: Наука: 1973).
|