Processing of Smart Materials WORD 2003

7/21/2019 Processing of Smart Materials WORD 2003

1/28

Proizvodnja pametnih materijala

2.1 Uvod

Pametni mikrosistemi predstavljaju skup mikrosenzora i pokretaa koji moguda uoe i reaguju na promene u svojoj okolini. Ovakvom system je potrebno i mikro-napajanje kao i mikroelektronika za obradu signala. Ove komponente ine sistemefikasnijim, brzim, pouzdanijim, jeftinijim, manjim potroaem energije i sposobnim zaubaivanje kompleksniji! funkija. "lavne komponente pematni! sistema su senzori ipokretai. #adnji! godina je razvijen veliki broj novi! mterijala koji se koriste u ovimkomponentama.

Proizvodnja zasnovana na $iliiumu je kljuni fator za br%i razvoj mikroelektrome!aniki! sistema &'('$). *+i!, '(' sistemi spun off from t!edevelopments in integrated iruit fabriation proesses, omoguavajui zajednikuproizvodnju senzora, pokretaa i kontolni! uredjaja na $i ipu. Od tada je u ovoj oblastiostvaren neverovatan napredak u istra%ivanjima. /renutno, veina mems uredjaja se

izradjuju bulk mikromainstvom, povrinskim mikromainstvom i 01"2 proesima na $ivaferu. /rodimenzioni mikro 3 proizvodni proesi, koji ukljuuju slojeve vie materijala,koriste se za '('$ u pojedinim oblastima &biomediinski uredjaji) i mikro aktuatore savelikim izlaznim snagama4 'nogi mikro uredjaji se proizvode korienjempoluprovodniki! proizvodni! te!nologija ili stereo litografije na polimerskimmultifunkionalnim strukturama. 5ombinovanom ar!itekturom mogu se postii pametnislojevi sa integrisanim senzorima i pokretaima reda veliine 6m-mm.

#nanje bitni! svojstava materijala je veoma znaajno u uspostavljanju nji!oveuloge u razliitim uredjajima. 7 '('$ materijale spadaju metali, poluprovodnii,keramika, polimeri i kompoziti. 7 nekoliko '('$ uredjaja, substrati su prvenstvenokorieni za me!aniku potporu. 7 mnogim drugim, ovo olakava 18 kompatibilnost.

/anki filmovi mogu da imaju nekoliko uloga u mikro sistemima. 9a primer, mogu daformiraju strukturne slojeve u komponentama napravljenim povrinskimmikromainstvom. :ielektrini tanki filmovi su ulavnom polimerski, keramiki ili odmaterijala baziranom na $i. 7 sutini, ovi tanki filmovi mogu imati vie funkija. 9aprimer, poli-$i i metalni filmovi koriste se kao provodnii, kao i strukturni slojevi.Ponekad, isti materijali mogu imati totalno suprotne funkije u razliitim uredjajima. 9aprimer, $iO;se obino koristi kaosacrificial materialali se takodje koristi i kao maska zarazne sluajeve.

2.2 Poluprovodnici i njihova proizvodnja

Poluprovodniki supstrati su bitne polazne take u proizvodnji '('$ bazirani!pametni! mikrosistema. 9ji!ova elektrina svojstva su znaajna u izgradnji potrebneelektronike, dok nji!ova me!anika svojstva omoguavaju proizvodnju nekolikostrukturni! komponenti. Poluprovodnii su obino neorganskimaterijali, esto napravljeniod elemenata iz 1< kolone periodnog sistema.


2/28

Od ovi! elemenata je najbitniji siliijum, ija se elektrina, me!anika i optikasvojstva mogu menjati njegovom modifikaijom. 7potreba $i u solid-state elektronii i

mikroelektronii je naglo porasla od rani! *+=-i!. Ostali poluprovodniki materijali iz1< grupe elemenata iz periodnog sistema su "ermanijum i 7gljenik. Poluprovodnikimaterijali mogu biti napravljeni kombinovanjem elemenata iz 111 i < grupe ili 11 i


3/28

poluprovodnii se nazivaju ekstrinsini to je suprotno od intrinsini! &ne dopirani!,isti!) poluprovodniki! materijala. :ifuzija i jonska implantaija su dva kljuna proesakoja slu%e za kontrolisano dodavanje dopanata poluprovodniima. Ovi proesi se koristeza selektivno dopiranje pluprovodnikog supstrata radi dobijanja n-tipa ili p-tipapoluprovodnika.

$iliijum i njegova jedinjenja suosnova za '('$ i nanoproizvodnju. 1z tograzloga, obratiemo pa%nju na $i i pokazati njegova osnovna svojstva. 7 tabeli ;.@ sudata najva%nija me!anika elektrina i termalna svojstva SINGLE CRYSTALLINESILICON. $iliijum ima nekoliko senzorski! svojstva kao to su piezo, termalna ioptika. /akodje ima i odlina me!anika svojstva. 9a primer, $i ima veu vrstinu odelika, manju gustinu od 2l, jungov moduo koji je blizak eliku.

2.2.1 Narastanje kristala Si

/e!nika koja se koristi za narastanje kristala $i se naziva 8zo!ralski te!nika.Proes zapoinje topljenjem istog kvara &$iO;) u penii zajedno sa materijalima koji

otputaju ugljenik &ugalj i koks). 7 penii dolazi do nekoliko reakija a reakija iji jeprodukt $i je sledeaA

$i8 B $iO;$i B $iO &gas) B 8O &gas) &;.*)

Ovako proizveden siliijum se naziva metalruki siliijum koji sadr%i do ;Cneistoa. #atim, siliijum se izla%e !lorovodoninoj kiselini i dobija se tri!lor-silanA

$i B @D8l$iD8l@&gas) B D;&gas) &;.;)

$iD8l@na sobnoj temperature je tean. ?rakionom destilaijom $iD8l@uklanjaju

se neistoe a zatim se vodonikom izdvaja ist $i koji se koristi u elektronii.

$iD8l@B D;$i B @D8l &;.@)

:obijeni $i je polikristalni $i visoke istoe i koristi se kao sirovina za dobijanje$i vafera. 2paratura za 8zo!ralski metodu je pokazana na slii ;.*A


4/28

#a narastanje kristala, elektronski ist $i se greje do take topljenja. $emekristala $i odredjene orjentaije se nalazi u dr%au iznad otopljenog $i. #atim se toseme sputa u teni $i. 9akon toga se klia lagano podi%e, rotira i !ladi i tako se dobijaveliki kristal $i.

parametravaferaA povrinsku orijentaiju, debljinu, taper&promena u debljini vafera od jednog krajado drugog i luk &zakrivljenje povrine vafera od entra ka krajevima)

2.2.2 Epitaksijalno narastanje poluprovodnika

7 mnogim situaijama ne bi bilo izvodljivo da se pone sa $i supstratom upravljenju $mart sistema. #ato se mo%e vriti narastanje $i filmova na supstratepitaksijalnom depoziijom. 'etod za narastanje sloja $i na vafer je poznat kaoepitaksijalni proes gde se supstrat &vafer) koristi kao klia. (pitaksijalni proesi serazlikuju od narastanja kristala iz rastopa po tome to se epitaksijalni slojevi dobijaju namnogo ni%oj temperaturi od take topljenja. 9ajee korien epitaksijalni proes jeEpitaksijala !ep"#icija i# pare $%A&OR &'ASE E&ITA(Y). 2paratura za


5/28

5ao izvor $i mogu se koristiti siliijum-tetra!lorid &$i8l>), di!lorsilan &$iD;8l;),tri!lorsilan &$iD8l@) i silan &$iD>). /emperatura potrebna za reakiju za siliijum-tetra!lorid je E*;F8. Geakija dobijanja $i iz siliijum-tetra!loridaA

$i8l>&gas) B ;D;&gas)$i &vrst) B >D8l &gas) &;.>)

Geakija koja se odvija istovemenoA

$i8l>&gas) B $i &vrst);$i8l>&gas) &;.H)

Prvom reakijom $i se deponuje na vafer a drugom skida sa njega. 7koliko jekonentraija $i8l>velika onda e se vie $i skidati nego deponovati na vafer.

2lternativni proes za depoziiju $i na vafer je*OLECULAR BEA* E&ITA(Y$*BE). /o je epitaksijalni proes koji se zasniva reakiji termalnog zraka $i atoma sapovrinom vafera pod visokim vakuumom. 'I(-om se mo%e postii preizna kontrolaprofila neistoa. 7potrebom 'I( mogu se napraviti monokristalne vieslojne strukture

reda veliine atoma. $ubstrat se greje do potrebne temperature i esto se rotira zbog vee!omogenosti deponovanog sloja.

2.3 etali i metalizacione tehnike

'etali se koriste u '('$ i mikroelektronii zbog nji!ove dobre termalne ielektrine provodnosti. 'etali su vrsti i provodni kako na sobnoj tako i na povienojtemperaturi.

:ok se u 18 ipovima koriste tanki metalni filmovi, za '('$ uredjaje supotrebni deblji metalni filmovi. :ebeli metalni filmovi se uglavnom koriste kaostrukturni materijali u '('$ uredjajima ili kao kalupi za polimere. Ovakve metalne

strukture se prave proesom koji se naziva mikro-elektro prevlaenje &micr"+electr"plati,) ip-"t"f"rmi,.9ikl, baker i zlato se koriste za elektro prevlaenje, dokse trodimenzionalni mikro delovi od nerdjajueg elika prave proesom p!otoforming. 7mnogo sluajeva se sloj metala prvo deponuje proesom koji je poznat kao metalizaija.

'etalizaija je proes kojim se metalni filmovi formiraju na povrini supstrata.Ovi metalni filmovi se koriste za medjuveze, omske kontakte itd.stoga, njiovaneprekidnost, uniformnost i svojstva povrine su kritini za performanse uredjaja.'etalni filmovi se mogu napraviti na vie naina od koji! je najbitnija fizika depoziijaiz pare &P


6/28

neistoa u izvoru i kontaminaije izvora grejaem, posudom ili gasovima unutarkomore. Irzina depoziije je veoma mala 3 nekoliko nanometara u sekundi.

$paterovanje je fiziki proes koji se zasniva na ubrzavanju jona krozpotenijalno polje i bombardovanja mete odnosno katode. 2tomi na povrini mete bivajuizbijeni sa povrine udarom jona i kroz atmosferu u komori se transportuju do substrata

i deponuju na njega. ?ilmovi nastali na ovaj nain imaju bolju uniformnost i nemajuogranienja &visoka temperature) za razliku od oni! koji su nastali evaporaijom.


7/28

konstante &i do ;H na sobnoj temp.). #a G?-'('$, tangenta gubitaka bi trebala dabude to manja. /angenta gubitaka za I$/ mo%e se smanjiti i na .H dodatkom veomamalog proenta &*->C) ?e, 9i i 'n. &Ia-$r)/iO@, &Pb-$r) /iO@i &Pb-8a) /iO@materijali,ija je kirijeva temperature bliska sobnoj, su odgovarajui za '('$p-ase s-ifters.

?eroelektrini tanki filmovi od I$/-a uglavnom se proizvode konvenionalnim

metodama kao to su G? spaterovanje, laser alati", 'O-8) i katalizator se meaju uodgovarajuem molarnom odnosu sa metoLyet!anol rastvaraem i tako treba da odstoje;! at 8. odvojeni rastvori Ia i $r se pripremaju rastvaranjem ;,>-pentadionate soli Ia i$r u metoksietanolu. 0agano grejanje je potrebno za kompletno rastvaranje soli. Potom semetalni rastvor soli lagano pretvara u titania sol i rastvor treba da odstoji jo J!. #atim sevri !idroliza soli u >' konentraiji u vodi. $mea vodarastvara mora da budepripremljena i dodavana soli kap po kap. :obijena so treba da odstoji jo ;! da bi sezavrila !idroliza. Ova so je dr%ana u penii na +F8 t" "tai t-e 1er",eli onda sezagreva na F8 @min u vazdunoj atmosferi da bi se dobio I$/ pra!. 2ko jepotrebno, I$/ se moze pomeati sa odgovarajuim proentom oksida metala &2l;O@,'gO) u voda-etanol rastvoru. Onda se @tC vezivne materije &aryli polymer) dodajerastvoru koji se zatim sitni u pra!. 'levenje se vri ;>! i onda se material sui navazdu!u i seje da bi se izbegla aglomeraija. :obijeni pra! se izla%e pritisku od t. #atimse kompoziti peku na @F8 ; sata i na kraju na *;HF8 H sati. Irzina grejanja i !ladjenjapenie je *F8min. $truktura Ia*-L$rL/iO@se odredjuje difrakijom L zraka i tako se istafaza I$/-a mo%e analizirati. :ielektrine konstante se mere na *'Dz na sobnojtemperature t2"+pr"emetodom, upotrebom analizatora impedanse.

Oksidi metala se koriste pri proizvodnji jedinjenja Ia*-L$rL/iO@radi postizanjarazliiti! elektronski! osobina. 'enjanjem odnosa I$/-a od +C do >C u smei sa2l;O@i 'gO, dovodi do smanjenja dielektrine konstante sa poveanjem oksida metala.:ielektrina konstanta smee I$: i 'gO je vea od I$: i 2l ;O@. Pretpostavlja se daoksidi metala utiu na granie zrna Ia*-L$rL/iO@, to dovodi do poveanja dielektrini!


8/28

gubitaka. $mea Ia*-L$rL/iO@i aluminiumovog oksida nudi nisku dielektrinu konstantu iniske gubitke u odnosu na 'gO. 9a osnovu ovi! merenja dolazi se do zakljuka da akose uzme konentraija oksida metala ispod *C, onda se tangenta gubitaka i dielektrinakonstanta mogu projektovati.

2.!.2 $e%eli &ilmovi

Tape casti,je glavni proizvodni proess kojim se proizvode materijali koji ineskelet elektronske industrije gde su glavni proizvodi dielektrini kondenzatori, debeli itanki filmovi, vieslojna kola i piezoelektrini uredjaji. /e!nike kojima se proizvode ovidelovi suA sedimentaija, slip asting, &dotor-blade) tape asting i eletrop!oretideposition. /ape asting se koristi za formiranje prevlaka 3 tanki!, ravni! keramiki!delova velike povrine a male debljine.

:otor-blade proes se zasniva na razdvajanju fino izdovjeni! neorganski!pra!ova u vodenom ili nevodenom tenom sistemu koji je sastavljen od rastvaraa,plastici#ersi veziva i formiranju meavine koja se zatim nanosi na povrinu nosaa.

Qvrstoa se kontrolie kritinim mikro-pukotinama, ija ozbiljnost je osetljiva naparameter livenja kao to su veliina zrna pra!a, korieni! organski! jedinjenja itemperaturnog profila. Ova metoda za!teva dodavanje velike koliine veziva &i do HC)keramikom pra!u radi postizanja reoloki! svojstava. :odato vezivo mora da se uklonipre konanog sinterovanja.

/itanium tetraisopropoLide &/i&O-8@D=)>) &* mol) i triet!anolamine &/(2)&molarni odnos *A* sa /i&O-8@D=)>se mea u odredjenom odnosu sa metoLyet!anolskimrastvaraem &*ml) i ostavlja se ;! na temperaturi od F8. Odvojeni rastvori .JHmolIa i .@Hmol $r se pripremaju rastvaranjem ;.>-pentadionate soli Ia i $r umet!oLyet!anolu da bi se postiglo LR.@H. Ilago grejanje je potrebno za kompletnorastvaranje soli. Gastvor metalne soli se zatim lagano prebauje u titania koloid koji serefl/1e!jo J!. #atim se vri !idroliza k"l"i!asa odredjenom konentraijom vode&molarni ratio ; u odnosu na /i&O-8@D=)>). 'eavina vodarastvara mora da se pripremii dodaje kap po kap u koloid. Gezultujui koloid se refl/1e!jo J! da bi se !idrolizaizvrila u potpunosti.ovaj koloidni rastvor se zatim dr%i u penii na +F8 J-= dana da bise dobio1er",el.1 na kraju se1er",elkalinie @min na +F8 u vazdunoj atmosferi.

I$/ pra! se takodje mo%e dobiti konvenionalnom metodom. Oksidi barijuma,stronijuma i titanata se koriste u odgovarajuim molarnim odnosima za postizanjevrednosti LR.@H. ovi oksidi se meaju sa *ml etil alko!ola u plastinoj posudi i sitnese kugliama od irkona ;>!. meavina iz posude se prebauje u peka i sui se ; dana natemperature od F8 na vazdu!u. Osueni pra! se kalinie @min na +F8.

/ape-ating metoda se koristi za proizvodnju keramikevieslojne I$/ trake.I$/ pra! dobijen jednim od gore navedeni! postupaka se mea sa *tC etanola i *tC met!yl et!yl ketone &'(5)S *tC ribljeg ulja se takodje dodaje meavini. Giblje uljeje superiornije od triglierida zbog polimerske strukture indukovane oksidaijom.'eavina se zatim kulino melje u plastinoj posudi ;>!. Satici#er3 &>tC), koji sekoristi kaoplastici#erdodaje se meavini a za njim se dodaje >tC car"2a1455&polyet!ylene glyol) sa .=@tC ylo!eLanone. Acr0l"i!3 $67.82t9)dodaje se umeavinu kao lepak. 'eavina se kuglino melje jo ;>! a zatim se liju trake i vakumira


9/28

se. /rake se izla%u pritisku od @H'Pa i temperature od =F8 *Hmin. Tema ovog proesaje prikazana na sliiA

2.!.3 'anki &ilmovi

/anki filmovi od keramiki! material mogu se proizvoditi na nekoliko naina.Ovde e biti objanjeno G? spaterovajne. #bog svoje slinosti sa debelim filmovima ibulk proessing te!nika, sol-gel proes za proizvodnju tanki! filmova e takodje bitiobjanjen.

2.!.3.1 (nvertuju)i cilindri*ni ma+netron ,(-/0 spaterovanje

$lika ;.H prikazuje 18' pitolj. On se sastoji od vodom !ladjene bakarnekatode, unutar koje se nalazi uplja ilindrian I$/ meta, okru%ena magnetnim prstenom.9erdjajui termalni tit je postavljen da titi magnet od termalnog zraenja. 2noda jeanoda je uvuena u upljinu u katodi. 2noda privlai elektrone i negativne jone, tako dasmanjuje re-spaterovanje.


10/28

zakaena izmedju anode i nerdjajue komore. 9a anodu se prikljuuje napajanjejednosmerne struje da bi se menjale karakteristike plazme izmedju anode i katode. "as zaspaterovanje ulazi u prostor katode kroz prostor koji okru%uje postolje.

5orienjem ove aparature, 8ukauskas je uspeo da deponuje I$/ filmove natemperaturama od HH do F8. /emperatura supstrata je odr%avana pomou ; kvarnelampe, termopara i kontrolera temperature. ?ilmovi su deponovani na *@HU debljine od=2 i o!ladjeni na sobnu temperature u atmosferi kiseonika &*atm) pre nego to seuklone sa postolja za depoziiju. #atim se vri od%arivanje filmova na *atm protonogkiseonika na temp. od =F8 !.

2.!.3.2 Solel tehnika proizvodnje

/e!nike spaterovanjaopisane ranije i ostale metode kao to su laser ablation,'O8


11/28


12/28


13/28

Polimeri upotrebljeni u $'2G/ sistemima mogu sadr%ati vie funkionalni!grupa. ?unkionalna grupa je definisana kao atom ili grupa atoma koji odradjujustrukturu odredjene familije organski! jedinjenja i istovremeno odredjuju nji!oveosobine. 9eki polimeri funkionalni! grupa su dupla veza u alkenima, trostuka veza ualkinima, aminogrupa, karboksilna grupa, !idroksilna grupa... ?unkionalnost se mo%edefinisati i kao broj ovi! grupa po molekulu jedinjenja.

'nogi polimeri koji se koriste u '('$ su biokompatibilni i zato su korisni za

mnoge mediinske uredjaje. Ovakve aplikaije obu!vataju implementirane mediinskedostavljajue sisteme, !emijske i bioloke instrumente, dovodi tenosti u motore,pumpanje raladni! tenosti za !ladjenje elektronski! komponenti.

Polimeri se, pored upotrebe kao senzorski i pokretaki materijali, koriste i kaomaterijali za elektroniku. Gazvijeni su i polimerski tranzistori. 1ntegraija polimerski!senzora, pokretaa i elektronike u poilerske '('$ je praktino za neke speijalneaplikaije.

2.5.1 "lasi&ikacija polimera

5lasifikaija polimera se mo%e izvriti na osnovu nji!ove strukture &linearni,

razgranati ili unakrsni), prema metodi sinteze, fizikim osobinama i prema krajnjojupotrebi.0inearni polimeri su napravljeni od identini! uporedni! jedinia u linearne

sekvene. Ovaj tip polimera ima samo ; funkionalne grupe. Gazgranati polimeri su oni ukojima ima mnogo sporedni! lanaa, linijiski! monomer vezani! za entralni polimerskilana. $poredni lani mogu biti dugi ili kratki.


14/28

5ada su molekuli polimera povezani medjusobno, ali ne krajevima, onda su tounakrsni polimeri. 7nakrsni polimeri su nerastvorljivi u bilokom rastvarau ak in apovienoj temperature.

Prema fizikim osobinama, polimeri se mogu podeliti na termoplastine itermoset. Polimer je termoplastian ako se smeka pri stiskanju ili razvlaenju, uglavnompri visokim temperaturama i ste%e se pri !ladjenju. Ovaj proes reoblikovanja i !ladjenjase mo%e ponoviti nekoliko puta. Polietilen visoke gustine &D:P() ili polietilen male

gustine &0:P(), poly-vinyl !lorid &P


15/28

novonastala slobodna valena moi e da se ve%e za slian molekul i da formira polimer.Polimerizaija ima @ korakaA iniijaija, propagaija i terminaija. Ovo mo%e bitiindukovano slobodnim radikalima i jonskim ili koordinaionim me!anizmom. 7zavisnosti od me!anizma, postoje tri tipa lanane polimerizaijeA slobodno radikalska,jonska &katjonska ili anjonska) i koordinaiona polimerizaija.

2.5.2.2 Slo%odnoradikalska polimerizacija

Postoje @ koraka u polimerizaijiA iniijaija, propagaija i terminaija. 7 ovomtipu polimerizaije do iniijaije dolazi zbog slobodni! radikala nastali! dekompoziijompokretaa koji se raspadaju i formiraju slobodne radikale. $vaka komponenta imaneuparen elektron koji se zove slobodni radikal. Ovaj radikal kada se doda molekulumonomer generie jo jedan slobodni elektron. Ovaj proes se ponavlja.

:ekompoziija pokretaa kojom nastaju slobodni radikali indukuje se toplotnom,svetlosnom energijom ili katalizatorom. Peroksidi, mnoga azo jedinjenja, !idroperoksidi iperaidi su najee upotrebljavani pokretai. Oni takodje mogu da se rastvore i 7)

2.5.2.! 6njonska polimerizacija

2ko aktivno mesto ima negativni naboj onda se proes zove najonskapolimerizaija. 'onomer koji se mogu podvrgnuti anjonskoj polimerizaiji su isoprene,styrene, butadiene.

1niijaija tee isto kao i u katjonskoj polimerizaiji osim to se ovde formiraarbanion. 1niijatori koji se koriste u ovom sluaju su alkyl i aryl, derivati alkalni!metala kao to su trip!enyl met!yl potassium i et!yl sodium. Propagaija se nastavljatransferom negativnog naelektrisanja na kraj molekula monomera. /erminaija nije uvek

spontani proes, osim ako nisu prisutne neke neistoe ili ako nije dodata neka jakajonska supstana, ne dolazi do terminaije. 2ko se koristi inertni rastvara i izbegavaju seneistoe, rekaija se nastavlja dok se ne iskoriste svi monomeri. 5ada se ovo postigne,arbanjoni na kraju lana i dalje ostaju aktivni, polimeri sintetizovani ovom metodom supoznati kao %ivi polimeri. Ova te!nika je korisna za proizvodnju l"ck c"p"l0mers.

121B2- &ion 3 pair formation) &;.*H)2-1BB '2'-1B &initiation) &;.*J)2'-1BB '2''-1B &propagation) &;.*=)2'n'-1BB D22'n'D B 2-1B &termination) &;.*)

12 je pokreta i D2 jepr"t"ati, agens.

2.5.2. Step 8 ro9th Polimerizacija

$tep polimerizaija se vri sep ise reakijom izmedju funkionalni! grupamonomera. 7 takvoj polimerizaiji, veliina polimerskog lana raste veoma sporo odmonomera do dimera, trimera, tetramera, pentamera i tako daljeA

monomer B monomer &dimer)dimer B monomer &trimer)dimer B dimer &tetramer)

trimer B dimer &pentamer)trimer B trimer &!eLamer)

Iilo koje ; molekularne vrste mogu medjusobno reagovati sve dok se ne formiraveliki polimerski lana koji se sastoji od velikog broja molekula monomera. :o overeakije dolazi kada monomer koji sadr%e vie od ; reaktivne funkionalne grupereaguju. /ipini kondenzaioni polimeri su poliamidi, poliesteri, polyuret!anes,polikarbonati, polisulfidi, fenol formalde!id, urea formalde!id i melanin formalde!id.


18/28

5ada se par bifunkionalni! monomera &diarboLyli aiddiamine ilidialo!oldi!alide) podvrgne polikondenzaiji, to se naziva 22 3 II 3 polikondenzaijaA

n2 3 2 B nI 3 I2 3 Z2I[;n-*3 I B byprodut &;.*+)

5ada se jedan bifunkionalan monomer podvrgne samokondenzaiji, to jepoznato kao 2 3 I tip polikondenzaije.

n2 3 II 3 Z2I[;n-*3 2 B byprodut &;.;)

2ko je u 22 3 II tipu polikondenzaije, jedan od monomera tri ili viefunkionalan, on formira @: mre%u. $lika ;. prikazuje formiranje mre%e u polimerimasa funkionalnou od @ ili vie funkija, dok tabela ;.J neke primere funkionalnosti umonomerskim jedinjenjima.

9eki od obini! monomera koji se mogu polimerizovati step 3 grot! polimerizaijomsu prikazani u tabeli ;.=


19/28

2.: U; radiation curin+ polimera

Gadiation uring upuuje na zraenje kao na izvor energije koji indukuje ubrzanu

konverziju speijalni! *C reaktivni! tenosti u vrste materijale polimerizaijom iunakrsnim povezivanjem funkionalni! monomera i oligomera u mre%u unakrsnopovezani! polimera.

Gadijaiona energija mo%e da potie od elektronski! snopova, M zraka, \ zraka,plazme, mikrotalasa, 7< zraka. 7< radiation uring se u velikoj meri koristi u '('$,abloniranju fotorezista i pravljenju fleksibilni! polimerski! struktura &planirani! i @:)&7< 3 01"2, mikrostereolitografija...) prednosti radiation uring te!nike suA

- velika brzina obrade a samim tim i proizvodnje- veoma pogodan i ekonomian proes- niskotemperaturni proes, tako da se mogu proizvoditi supstrati koji su

osetljivi na visoku temperature

- potrebno je manje energije i prostora za razliku od konvenionalni! uringsistema- nivo emisije organski! materijala je veoma nizak- niska glavna ena, posebno ako se 7< zrai koriste kao stimulant za

uring

2.:.1 ;eza izmedju talasne du


20/28

Gadiaiona energija koja mo%e da prekine veze data je plankovom teorijom.Plank je razvio teoriju zraenja rnog tela na osnovu rezultata da zraenje

poseduje estine osobine id a estie &fotoni) zraenja odredjene frekvenijom W imajuodredjenu energiju koja je data relaijom R!W gde je ! plankova konstanta &J.J;J=J L *-@>Ks) i W R ] gde je brzina svetlosti &@L* ms) i ] je talasna du%ina. $lika ;.+prikazuje opsege u elektromagnetnom spektru.

Ovde se vidi da fotoni talasne du%ine 7< spektra poseduju energiju da prekinu vezeprikazane u tabeli i podvrgnu i! ponovnom uredjenju da bi se formirala mre%a polimera.

2.:.2 ehanizam U; curin+a

7< uring se zaniva na fotostimulisanoj polimerizaiji, posredstvomfotopokretaa.oni apsorbuju 7< svetlost i konvertuju je u !emijsku energiju u oblikureaktivni! posrednika, kao to su slobodni radikali i reaktivni katjoni, koji zatim pokreupolimerizaiju. /ipini fotopolimer sadr%i fotoiniijatorni system, monomer i oligomere&ili polimer ili polimere) koji obezbedjuju odredjena fizika iili proizvodna svojstva./akodje mogu sadrzati razliite additive za menjanje fiziki! osobina jedinjenja

osetljivi! na svetlost ili krajnji! osobina ured fotopolimera.Geakija fotopolimerizaije se deli na ; kategorije, radikalna fotopolimerizaija ikatjonska fotopolimerizaija. 7 sutini, arylates su prilagodjeni slobodno radikalskojpolimerizaiji dok su epoLies tipini za katjonsko uring. 9ajee korieni reaktivnimonomerski materijali su nezasieni arylati sa niskom molekularnom masom ilimetakrilat monomer koji se mogu unakrsno povezati sa fotopokretajima kaogeneratorima radikala. Praktina primena katjonski pokrenutog unakrsnog povezivanjamonomerski! materijala sa epoLy iili vinyl et!er funkionalnostima se znaajno


21/28

poveala razvojem novi! 7< osetljivi!, visoko efikasni! fotopokretaa koji generiukatjonske vrste &jake kiseline). /abela ;.+ poredi karakteristike katjonskog i slobodnoradikalskog uring-a, prikazujui nji!ove dobre i loe osobine. 7 tabeli, vla%na in!ibiijaje sposobnost ure-ovanja u prisustvu atmosferske vlage, dok post-iradijaijsko ure-ovanje odgovara ure-ovanju koje se vri po uklanjanju izvora svetlosti. #a slobodno

radikalsko ure-ovanje na vazdu!u, povrinsko ure-ovanja zaostaje za bulk ure-ovanjem, koje je poznato kao in!ibiija kiseonika. Ovo zaostajanje je rezultat nadmetanjana povrini izmedju molekula kiseonika i slobodni! radikala za mesta u monomer.

5ada fotopokretai &P1) apsorbuju svetlost, prelaze u elektronsko eksitovanostanje, P1X.


22/28


23/28

Pretpostavimo da su konstante za sve propagaione korake iste, brzinapolimerizaije se mo%e prikazati kaoA

GpR kpZ'[Z'X[ &;.@*)

gde je Z'[ konentraija monomera i Z'X[ ukupna konentraija radikala u lanima.Irzina polimerizaije ne mo%e se dobiti iz jednaine ;.@* zato to je teko izmeriti

kvantitativno konentraiju radikala koja je veoma niska &E*-'). :a bi se eliminisaloZ'X[ iz jednaine ;.@*, koristi se pretpostavka mirnog stanja da se konentraijaradikala u poetku poveava ali posle kratkog vremena dosti%e konstantnu vrednost. Ovoznai da su stepen iniijaije Gi, i terminaije Gt, radikala jednakiA

GiR GtR ;ktZ'X[; &;.@;)

gde faktor `;V u jednaini predstavlja injeniu da se upareni radikali unitavaju.

$redjivanje jednaine ;.@;, dobija se konentraija radikalaA

Z'X[ R & )*; &;.@@)

i zamenom jednaine ;.@@ u ;.@* dobija seA

GpR kpZ'[ & )*; &;.@>)

5ombinovanjem jednaine ;.; i ;.@> dobija seA

GpR kpZ'[ & )*; &;.@H)

i upotrebom jednaine ;.;;, izraz za GppostajeA

GpR kpZ'[ & )*; &;.@J)

2.:.3.2 "atjonska &otopolimerizacija

Proes katjonske fotopolimerizaije se mo%e uoptiti kaoA

P1 B !W &;.@=)

B ' D ?otoiniijaija &;.@)


24/28

D B ' D Propagaija &;.@+)

D B ' D Propagaija &;.>)

D D'nM /erminaija &;.>*)

Irzina reakija iniijaije , propagaije i terminaije su izra%eneA

GiR _1abs &;.>;)

GpR kpZD [Z'[ &;.>@)

GtR ktZD [ &;.>>)

gde je ZD [ ukupna konentraija reaktivni! entara. Pod pretpostavkom da su

mirna stanja validna i u katjonskoj fotopolimerizaiji, dobija seA

ZD [ R &;.>H)

5ombinovanjem jednaina ;.>@ i ;.>H dobija seA

GpR &;.>J)

Ovo je brzina polimerizaije za katjonsku fotopolimerizaiju. Gpse takodje mo%e

predstaviti preko 1AGpR kpZ'[ &;.>=)

2.> 'ehnike depozicije polimerskih tankih &ilmova

5ratka lista plimerski! materijala koji se najee koriste u raznimmikrosistemima data je u tabeli ;.*. Polipirol je jedan od kandidata za upijajui materialza tanke filmove. Demijiska oksidaija, kao sredstvo za deponovanje provodni!polimera na membrane, pokazala se kao korisna. 7 ovoj metodi, osnova, P


25/28

:a bi se polimerski film deponovao bez utiaja na nji!ov !emijski integritet ifiziko-!emijska svojstva, koristi se te!nika depoziije pulsnim laserom. Tablonskadepoziija je mogua ubaivanjem koraka L-y poziioniranja. 9a ovaj nain jedeponovanfl/"r"alc"-"lp"l0sil"1ae$S(;A)polimer u vakuumu na piezoelektrinisubstrat. 7 jo jednom primeru, 7< indukovana narastajua ko-polimerizaija sa 4+:i0lp0ri!iese koristi za povrinsku modifikaiju P


26/28

raspodela nakalemljeni! lanaa u metalnoj matrii i kovalentno vezivanje nakalemljeni!lanaa za P


27/28

,rap-ee+a, umotan od najdu%e strane da bi se formirala ilindrina tuba. Demisferinizatvarai zatvaraju oba kraja tube kao to je prikazano na slii ;.*.

#a viestrane $m/lti 2alle!)ugljenine tube &'U89/), vie slojeva,rap-ee+aje urolano zajedno i formiraju ilindrinu tubu &slika ;.**). Prostor izmedju,rap-ee+aje .@>nm. drugim reima, 'U89/ is t-"/,-t t" e ma!e /p "f este! s-ells "fc0li!ers sa slabim medjuslojnim interakijama. Ove vrednosti su iroko koriene zainterpretaiju me!aniki! osobinasi,le+2alle! i m/lti+2alle!nanotuba. /ipinedimenzije $U89/-a su prikazane u tabeli ;.**.

It -as als" ee "ser:e! t-at t-e maj"rit0 "f car" a"t/es e1-iit c-iralit0&slika ;.*;).

:rugim reima, !eksagonalna orjentaija ugljenika u odnosu na osu tube mo%ebiti razliita za razliita nanotube. Osobine 89/-a ponajvie zavise od nji!ovi! prenika ic-iralit0. 7gljenine nanotube imaju neverovatne me!anike, termike i elektrineosobine usled svoje jedinstvene ugljenine strukture kao i dimenzija reda veliinenanometra. Uong je izmerio prosean young-ov moduo elastinosti 'U89/-a, odredjenat"mic f"rce micr"sc"p0&2?') meas/remets, da je *.; .H+ /Pa, to je najvea

vrednost od svi! poznati! materijala. Uilder je koristioscai, t/eli, micr"sc"p0&$/') za merenje provodnosti pojedinani! nanotuba i otkrio je da ona zavisi od c-iralugla i dijametra.

5arakteristike &veliina,si,leilim/lti+2alle!< -elicit0< itd.) ugljenini! nanotubasu odredjene metodom preparaije. Postoji nekoliko metoda za sintezu karbonski!nanotuba.Arc !isc-ar,ei laserska vaporizaija grafitne elektrode u prisustvu metalnogkatalizatora su prve metode za sintezu 89/-a. obe ove metode za!tevaju temperatureiznad @F8, to nije kompatibilno sa modernom proizvodnjom integrisani! kola. :rugi


28/28

Documents

Processing of Smart Materials WORD 2003