FOLLOW US ON
+7 (495) 374-04-01
Отраслевые решения

Полиэлектролитные мультислои и пентаоксид танталла как перспективные элементы высокочувствительных сенсоров

Метод формирования мультислойных пленок уходит своими корнями к именам Ленгмюра и Блоджетт, которые осуществляли последовательную адсорбцию монослоя амфифильных молекул (имеющих как гидрофобные, так и гидрофильные участки, пример — фосфолипиды) на твердой подложке. Однако некоторые недостатки метода — нестабильность получающихся слоев при температурной или химической обработке, необходимость дорогостоящего оборудования, подтолкнули к модернизации технологии. Следом появилась методика (Сагив и Нетцер), основанная на хемосорбции монослоев. Молекулы в таком случае оказываются ковалентно связаны друг с другом как в пределах монослоя, так и между слоями, что обеспечивает стабильность в отношении температурой обработки и применения растворителей. Но такой подход сильно ограничен в выборе вещества в силу высокой специфичности хемосорбции. 

В 1991 году Дечер изобрел способ послойного получения полиэлектролитных пленок на поверхности оксидов металлов. С того времени новый метод получил взрыв интереса как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения. Изначально для изготовления мультислоев использовались анионные и катионные биполярные амфифильные молекулы, которые при адсорбции на поверхность меняли ее заряд. Погружая субстрат поочередно в раствор с молекулами противоположного знака, можно было быстро получить стабильную модифицированную поверхность. Затем технология была применена и к полиэлетролитам. Поскольку природа взаимодействия здесь носит лишь электростатический характер, то в качестве субстрата можно выбирать самые разные вещества. Благодаря этому, полиэлектролитные мультислои могут быть полезными, к примеру, для модификации оптических волноводов. Направление разработок оптоволокон в последнее время бурно развивается в связи с растущими требованиями к скорости, объему и надежности передачи информации. По сравнению с классическими электронными устройствами, волоконно-оптические имеют ряд преимуществ, среди которых защищенность от внешних и отсутствие собственных электромагнитных помех, возможность работать при высоких и низких температурах, возможность работы с большими площадями и многое другое. В качестве кандидата в разработке тонкопленочных оптоволокон успешно себя зарекомендовал пентаоксид тантала Ta2O5.  Благодаря высокому показателю преломления и слабому затуханию данный кандидат гарантирует сверхвысокую чувствительность, что крайне важно, например, для систем биосенсоров.

специальная проточная ячейка

Послойную адсорбцию подобных мультислойных пленок можно наблюдать в режиме реального времени с помощью визуализирующей эллипсометрии. Кроме этого, метод позволяет одновременно определять оптические характеристики  и толщину образца. В качестве полианионов и поликатионов отлично подходят полиаллиламин гидрохлорид (ПААГ)  и полиакриловая кислота (ПАК), поскольку они обладают заряженными соответственно амино- и карбоксигруппами для дальнейшей модификации поверхности. В описанной ниже работе для роста пленок использовали жидкостную проточную ячейку, в которой поочередно меняли раствор (времена процессов ввод буфера : адсорбция : промывание соотносятся как 4:10:5 минут). В качестве подходящего субстрата было выбрано прозрачное стекло с тонким слоем пентаоксида тантала, на который поочередно было нанесено по 10 слоев каждого вещества.

При адсорбции вещества на пленке меняются ее оптические показатели, что можно задетектировать с помощью эллипсометра. Измеряя эллипсометрические углы с определенной периодичностью, можно по оптической модели рассчитать толщину растущего адсорбированного слоя. При этом в современных визуализирующих эллипсометрах Accurion такие измерения можно проводить независимо и параллельно на разных участках образца. Эллипсометрические углы дельта и пси были записаны каждые 19 секунд (минимальное время, определяемое скоростью вращения поляризатора и анализатора для поиска «нуля» в схеме нулль-эллипсометра) для 9 различных выбираемых пользователем участков (Regions Of Interest). На рисунке 4 показано изменение углов дельта и пси с течением времени для конкретного участка ROI 2. Далее с помощью оптического моделирования эллипсометрические углы были конвертированы в толщину слоя, рост которого от 0 до 32 нм с течением времени изображен на рисунке 5. 

Запатентованная концепция Regions Of Interest позволяет проводить измерения параллельно на различных участках образца, выбираемых пользователем Рисунок 4 отображает изменение углов дельта и пси с течением времени для конкретного участка ROI 2 Рисунок 5 представляет график роста толщины мультислоя от 0 до 32 нм с течением времени

При анализе адсорбции было установлено, что слой полиакриловой кислоты толще слоя полиаллиламид гидрохлорида. Предположительно, такой результат возник вследствие большей предрасположенности анионов нежели катионов к скручиванию, что отразилось на большей толщине и меньшей зарядовой плотности соответствующего слоя.

В общем и целом, эллипсометрия продемонстрировала гомогенную адсорбцию слоев, служащих простой и стабильной функциональной поверхностью для пентаоксида тантала. Далее мультислои можно структурировать УФ литографией, а топографию поверхности с высочайшим разрешением отследить с помощью АСМ. 

Читать оригинал статьи: Real-time monitoring of polyelectrolyte-multilayer growth onto tantalum pentoxide (Ta2O5) by internal reflection ellipsometry