Příprava kovových nanočástic v polymerech metodou iontové implantace.

Mgr. Petr MALINSKÝ

Doctoral thesis

Metal nano-particles in polymers prepared by ion implantation and their characterization.

Abstract:

Předmětem předkládané disertační práce je příprava nanostruktur kov-polymer a jejich následná charakterizace za pomoci rozličných analytických metod. Hlavním cílem tohoto výzkumu bylo přispět k hlubšímu poznání toho, jak se mění struktura a chemické složení polymerní matrice po implantaci kovovými ionty. Dále pak chování implantovaného dopantu v polymeru, případné spojování jednotlivých atomů a tvorba nanočástic a jejich následný růst spolu s rostoucí implantovanou dávkou. V neposlední řadě pak byla studována změna elektrických a optických vlastností implantovaných polymerů, způsobená nejen dodáním kovového podílu do nevodivé matrice, ale i změnou této polymerní matrice. Práce je dělena s ohledem na použité analytické metody, chování implantovaného dopantu, změnám struktury a složení polymerní matrice a změnám fyzikálních vlastností implantovaných polymerů. V implantovaných polymerech byly metodou RBS měřeny koncentrační hloubkové profily implantovaného dopantu a jejich změny po následném žíhání. Vývoj povrchové koncentrace O a H v implantovaných polymerech v závislosti na použité implantované dávce byly určovány metodami RBS a ERDA. Metodou AFM byly detekovány změny povrchové morfologie během implantace i při následném žíhání. TEM spolu s obrazovou analýzou a XPS poskytli informace o vývoji a růstu kovových nanočástic v polymeru a UV-Vis spolu s měřením elektrických vlastností pak kvantifikují změny fyzikálních vlastností. Ukazuje se, že povrchová drsnost analyzovaných vzorků může mít negativní vliv na interpretaci a vyhodnocení hloubkových profilů určených metodou RBS. Speciálně u implantovaných a následně žíhaných vzorků, kdy je třeba relativně přesně určit hloubkový profil dopantu, je vhodné pokusit se určit tento vliv povrchové drsnosti. Proto jsme se v této práci rozhodli implementovat AFM výsledky popisující povrch vzorku do analýzy metodou RBS a studovali jsme vliv povrchové morfologie na výsledná RBS spektra. První krokem bylo studium vlivu modelových, v počítači generovaných povrchů, na spektrum RBS a v druhém kroku jsme se soustředili na reálné vzorky.

Abstract:

The topic of this thesis is preparing of metal-polymer nano-structures and their subsequently characterization by using of different analytical methods. The main aim of this research was to contribute to a better understanding of polymer structure and chemical composition change during the ion implantation with metal ions, further to the understanding of implanted dopant behaviour in polymers and eventually clustering of metal atoms into the nano-particles and subsequently growth of these nano-particles with increasing ion fluence. And last but not least the change of electrical and optical properties, caused by supplying of the metal portion to a non-conductive pattern and the change of the polymer matrix, was study. The work is divided with respect to the used analytical methods and to the behavioural development of metal implants, change of the composition and structure of implanted matrix and eventually changes of the implanted polymer physical properties. RBS describes the depth profile of implanted metal in as-implanted and subsequently annealed samples, further is RBS along with ERDA used to the compositional change description, especially the hydrogen and oxygen release. The surface morphology change have been analyzed by AFM method. The TEM with subsequent image analysis have been used to the displaying of clustered nano-particles and determination of their size distribution. The measurement of the electrical properties together with the UV-Vis measurement testifies about the change of the physical properties of implanted polymers. The surface roughness on the analyzed samples can influence significantly the interpretation and evaluation of the depth profiles determined by RBS. Especially in the case of the implanted and subsequently annealed polymers, when the correct knowledge of the doped depth profiles is needed, the roughness influence should be estimated. Thus we decided to implement the AFM surface morphology into the RBS evaluation and tested the influence of the surface roughness on RBS analysis. First step was testing of our procedure on the model surfaces, which was generated in the PC. The second step was using of this procedure on real samples with real surfaces measured by AFM.

Keywords

iontová implantace polymerů, kovové nanočástice, RBS, AFM, povrchová drsnost

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2015

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 10. 9. 2015
• Supervisor: doc. RNDr. Anna Macková, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Computer Methods in Science and Technology