Способ оценки толщины тонких полимерных пленок
METHOD OF ESTIMATION OF THICKNESS OF THIN POLYMER FILMS

Область техники.
Изобретение относится к области инновационных технологий и физики полимерных композитов, может применяться для определения толщины полимерных пленок по температуре перехода полимерной системы в проводящее состояние.
Уровень техники.
В настоящее время существует ряд прямых и косвенных методов измерения толщин полимерных пленок. Для некоторых методов измерения необходимо, чтобы сенсорные устройства находились с обеих сторон полотна, для других достаточно расположить датчики только с одной его стороны. Методы различаются также по точности измерения, быстродействию, достоверности результатов, возможности автоматизации как собственно измерений, так и документирования их результатов и, конечно, по стоимости практической реализации. Для производителей важно делать замеры с высокой точностью и разрешающей способностью и в реальном времени. Совместить указанные требования непросто.
К прямым методам измерения толщин относятся механические методы измерения. Для реализации таких методов используются приборы, не предназначенные для измерения толщины менее 50 мкм. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что замеры производятся не в точке, а по определенной площади поверхности пленки. ГОСТы устанавливают размер пятна замера и усилие прижима при замере, но очевидно, что, чем меньше будет площадь пятна измерения, тем больше вероятность получения результата, более близкого к средней толщине образца.
В отличие от механических методов, электронные методы измерения толщины являются косвенными. Значимым для повышения точности измерений является то обстоятельство, что замер в этих случаях производится не «по вершинам» неровностей поверхности пленки, а по усредненному значению толщины. Однако так же, как и при механическом измерении толщины, в электронных методах не избежать погрешностей, связанных с тем, что замер производится в пятне, площадь которого не всегда удается уменьшить до величины, в рамках которой отклонение толщины не превышает предел измерения.
Так как предложенный диэлектрический метод оценки толщины тонких полимерных пленок является косвенным, то в качестве наиболее близкого аналога будет приведен электроемкостный метод измерения толщины полимерных пленок. Электроемкостный метод основан на различии диэлектрической проницаемости воздуха и полимерной матрицы (ПМ). Емкость конденсатора с разомкнутыми пластинами, выполняющего роль одновременно и источника электрического поля, и чувствительного элемента, является в данном методе первичным информативным параметром и зависит от толщины проходящей мимо пластин пленки. Данный метод имеет, однако, серьезные недостатки. Во-первых, изменение расстояния между датчиком-конденсатором и поверхностью пленки резко снижает достоверность измерения. Во-вторых, в связи с малой разницей между значениями диэлектрической проницаемости воздуха и ПМ (тем более неполярных ПМ, в частности - полиолефинов) точность описываемого метода, особенно для тонких пленок, невысока. У данного метода есть и другие недостатки. Так, для уменьшения электронного шума и стабилизации опорного сигнала и, тем самым, для получения приемлемых по точности результатов на практике применяется дорогостоящая тепловая стабилизация датчика. Наконец, подобные датчики требуют непрерывной калибровки путем сопоставления сигнала с данными о реальном потреблении сырья, получаемыми от гравиметрического дозатора.
Раскрытие изобретения
В большинстве случаев, лаборатории и научные институты ограничены в возможностях точного и быстрого определения толщин исследуемых образцов. Данный способ предоставляет альтернативный вариант оценки толщины полимерных композитов методами, позволяющими определить температуру перехода системы в проводящее состояние. Данный способ в сравнении с электроемкостным методом является сравнительно недорогостоящим и имеет точность на несколько порядков выше, так как определяет среднее значение толщины образца, не беря во внимание неровности его поверхности. Так как температуру смены характера проводимости можно определить с высокой точностью, результаты, полученные предлагаемым способом, будут всегда достоверны. К недостатку данного метода можно отнести необходимость предварительных измерений их анализа для получения графической зависимости, что может потребовать больше времени, чем определение толщины образца аналогичными прямыми методами измерений.
Цель изобретения - оценка толщин полимерных пленок по температуре перехода полимерного композита в проводящее состояние.
Технический результат изобретения достигается путем предварительной обработки полимерных пленок, исключающей искажение данных, а также за счет разработанной графической модели, позволяющей определить толщину пленок путем сравнения теории с экспериментом.
Способ активно применяется для определения толщины полимерных композитов полидифениленфталида. Получаемые результаты многократно проверялись прямыми методами оценки толщины образцов.
Осуществление изобретения
Вопросы, связанные с определением условий возникновения проводящего состояния в тонких пленках полимерных диэлектриков, представляют большой интерес для фундаментальной науки и практического применения данных материалов. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию различных аспектов рассматриваемого вопроса, до сих пор отсутствует общепринятый взгляд на физический механизм этого явления и оптимальные методы его реализации для создания управляемой технологии, например, элементов памяти на его основе.
-1
6
Исследовались тонкие слои полимера из класса полиариленфталидов - полидифениленфталид (ПДФ). Толщина образцов: 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм и 60 мкм. Измерения диэлектрических спектров проводились в частотном диапазоне f=10…10 Гц и в температурном интервале от 0°С до 100°С на спектрометре «Concept 81» (Novocontrol Technologies). Система состоит из частотного анализатора импеданса ALPHA ANB, измерительной ячейки, устройства термостатирования Novocool Cryosystem, сосуда дьюара с системой испарения и подачи газообразного азота, а также системы автоматического сбора данных с компьютерным интерфейсом. При измерениях температура стабилизировалась с точностью 0.3°С. На образец подавалось измерительное напряжение 1.0 В.
s
Частотная зависимость действительной части комплексной проводимости σ' представлена на фиг. 1. В исследуемом интервале температур обнаружена зависимость типа σ'~ω, со значениями показателя степени s<1.0, что свидетельствует о существовании прыжкового механизма переноса заряда. На температурной зависимости σ' (фиг. 2) можно выделить три участка. При определенной температуре меняется характер проводимости системы (при Т=313 К для образца толщиной 30 мкм). Смена механизма проводимости согласуется с наличием особенностей на спектрах ТСД и подтверждает выводы авторов работ [2-5] о возможных переходах в тонких пленках ПДФ из диэлектрического состояния в высокопроводящее состояние.
На фиг. 3 представлена зависимость температуры смены характера проводимости от толщины пленок ПДФ (5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 50 мкм, 60 мкм, 90 мкм).
Обнаруженная линейная зависимость температуры смены характера проводимости от толщины пленок ПДФ (температура, при которой меняется характер проводимости диэлектрика, уменьшается с ростом толщины полимерной пленки), может быть использована для оценки толщины образцов данной и подобных ей систем.
Анализ графической зависимости (фиг. 3) позволяет получить формулу для расчета толщины образца:
d=(354-T)/1.03,
где d - толщина образца в мкм, Т - абсолютная температура.
Перечень чертежей
1. Фиг. 1. Частотная зависимость удельной проводимости при разных температурах.
2. Фиг. 2. Температурная зависимость удельной проводимости. Частота приложенного поля 10 Гц.
3. Фиг. 3. Зависимость температуры смены характера проводимости от толщины исследуемых пленок ПДФ.
Источники
1. Смышляев А.Р., Бердышев Б.В., Губерман Ф. Коррекция толщтны полимерных пленок в процессе их изготовления // Полимерные материалы. 2007. №12. С. 10-16.
2. Halik М, Н. Klauk, U. Zschieschang, et al. Low-voltage organic transistors with an amorphous molecular gate dielectric // Nature. 2004. V. 431. P. 963-966.
3. Ionov A.N., Lachinov A.N., Rivkin M.M. et al Low-resistance in polydiphenyelenphthalide at low temperatures // Sol. State Comm. 1992. V. 82. №8. P. 609.
4. Lachinov A.N., Zherebov A.Yu., Kornilov V.M. Influence of uniaxial pressure on conductivity of polydiphenyelenphthalide // Synth. Metals. 1991. V. 44. P. 111-113.
5. Лачинов A.H., Жеребов А.Ю., Корнилов B.M. Аномальная электронная неустойчивость полимеров при одноосном давлении // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 52. Вып. 2. С. 742-745.