聚二苯基硅亚甲基硅烷基纳米复合薄膜的制备与表征.pdfVIP

聚二苯基硅亚甲基硅烷基纳米复合薄膜的制备与表征 宋仁国 浙江工业大学机电工程学院,杭州310014 关键词：聚二苯基硅亚甲基硅烷 纳米复合薄膜 金属纳米粒子 1,1,3,3-四苯基 -1,3-二硅环丁烷 激光烧蚀 由于聚二苯基硅亚甲基硅烷(Polydiphenysilylenemethylene, PDPhSM)具有 [1] 奇异的光学性能，因此在光学器件领域具有广阔应用前景 。最近，F.Rossignol [2] 等人 发展了一种利用直流溅射在 1,1,3,3- 四苯基-1,3- 二硅环丁烷 （1,1,3,3-Tetraphenyl-1,3-disilacyclobutane, TPDC）单体薄膜上沉积金属 纳米粒子后，再加热发生开环聚合反应的新技术，成功地制备出了PDPhSM 基纳 米复合薄膜。但是这种技术有很大的局限性：首先用直流溅射只能制备金、银、 铜、铂四种贵金属纳米粒子；其次纳米粒子的浓度很低,且很难控制其分布。因 此，无论是从实用角度还是从基础研究角度出发，都非常有必要发展一种崭新的 技术来替代直流溅射，以便拓宽所沉积纳米粒子的种类并提高其浓度。制备纳米 粒子有很多物理和化学方法，其中激光烧蚀（laser ablation）技术被认为是制 备各种纳米粒子（包括金属、半导体、合金以及陶瓷纳米粒子等）的强有力技术 [3]。激光烧蚀技术较直流溅射有很多的优点，除了可以大大拓宽所沉积纳米粒子 的种类外，还能够提高所沉积纳米粒子的浓度和均匀性。为此，本文采用激光烧 蚀技术在真空蒸镀的TPDC 单体薄膜上沉积金属Cu 纳米粒子，并用加热开环聚合 的方法制备了新型有机硅PDPhSM 基纳米复合薄膜，且研究了金属纳米粒子的形 貌、尺寸分布等对开环聚合效率的影响。 有机硅聚合物 PDPhSM 基纳米复合薄膜的制备过程如下：（a）首先采用真空 蒸镀的方法将TPDC 粉末沉积在单晶硅片的衬底上制备出厚度约为 10 µm 的单体 膜；（b）然后再采用激光烧蚀技术将各种金属纳米粒子沉积在TPDC 单体膜上。 激光烧蚀试验前，将反应腔体抽成 1.33×10-4 Pa 高真空。在激光烧蚀反应的同 时，向反应腔体中引入氦气作为环境气氛，以保持反应腔体中的环境压力恒定。 试验采用Quanta-Ray GCR-130 型Nd:YAG 固体激光器作为光源，激光波长为532 2 nm，激光能量密度为4.8 J/cm ，重复频率为10 HZ，脉冲宽度为10 ns，激光 束的光斑直径在靶上为3 mm，激光烧蚀沉积时间为20 s，靶与衬底之间的距离 为25 mm；（c）最后将沉积有金属纳米粒子的单体膜放在电炉中，在553 K 保温 10 min 进行热聚合反应。 聚合反应前后薄膜的厚度用触针式表面形状测定仪进行测量。由于在加热过 程中聚合反应与再蒸发进行竞争，所以我们定义聚合物PDPhSM 基纳米复合薄膜 与TPDC 单体薄膜的厚度比为聚合效率。激光沉积的金属纳米粒子的形貌观察在 H-800NA 型透射电镜 （TEM）上进行。直接观察沉积在TPDC 单体膜上的金属纳米 粒子是困难的，因此将涂有非晶碳支持膜的铜网置于TPDC 单体膜附近，从而使 得我们能够观察沉积在铜网上的纳米粒子。尺寸分布由Optimas 5.0 软件进行分 析。 TEM 观察结果表明，大多数Cu 纳米粒子都是球形和不连续分散的，且Cu 纳 米粒子的形貌与尺寸分布均依赖于激光烧蚀的工艺条件。 图1 为Cu 纳米粒子的平均直径与聚合效率随环境压力的变化规律。当环境 压力小于1 Torr 时，Cu 纳米粒子的平均直径随环境压力的增大而减小，而聚合 效率则随环境压力的增大而增大；当环境压力大于1 Torr 时，Cu 纳米粒子的平 均直径随环境压力的增大而增大，聚合效率则随环境压力的增大而减小。由此可 见聚合效率随纳米粒子的尺寸的减小而增大，即金属纳米粒子尺寸越小，其催化 效率也越高。 14 70