Горизонтальное выделение

Особенности горизонтального ориентированного (ГО) выделения и его отличия от вертикального метода Ленгмюра-Блоджетт

Принцип горизонтального выделения демонстрирует схема на рис.1a, когда осаждение пленки на подложку, расположенную практически горизонтально относительно водной поверхности, происходит за счет понижения уровня водной поверхности с монослоем ниже уровня подложки.

Рис. 1: Схематичное изображение  горизонтального метода выделения (слева) и традиционного вертикального метода Ленгмюра-Блоджетт

Морфология пленок, сформированных методом ГО, существенно отличается от аналогичных пленок, сформированных традиционным вертикальным методом Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ). На рис. 2 приведены АСМ-данные для пленок, сформированных на слюде двумя этими методами. Сопоставление корректно, поскольку на гидрофильной поверхности слюды монослой вертикальным методом формируется только на стадии вытягивания подложки вверх через монослой.  Многочисленные дефекты образуются на поверхности пленки, сформированной пропусканием подложки вертикально сквозь монослой (рис. 2а), за счет агрегации вещества в мениске жидкости. Напротив, в случае горизонтального осаждения монослоя формируется чрезвычайно однородная пленка, при этом точечные дефекты характерны для обоих типов выделения и связаны с давлением выделения в монослое (30 мН/м).

Рис. 2: Морфология монослоя бегеновой кислоты, перенесенного на слюду с CdCl2 субфазы (0,5 мМ) при поверхностном давлении p=30 мН/м (a) обычным вертикальным и (b) горизонтальным методами выделения.

Метод ГО – чрезвычайно полезный метод, поскольку позволяет получать пленки, практически не искаженные процессом выделения, например, изучать фазовые переходы в монослоях (рис.3), доменную структуру многокомпонентных пленок, а также влияние подложки на процессы их выделения.

 

 

Рис. 3: Явление коллапса в пленке бегеновой кислоты, выделенной методом ГО при p=60 мН/м: 3D изображение пленки с коллапсом (слева) и анализ профиля поперечного сечения (справа).

Выдавливание молекул бегеновой кислоты из монослоя ясно демонстрирует анализ профиля поперечного сечения (рис.3), поскольку высота выдавленного участка пленки в 2,35 нм практически равна длине молекул бегеновой кислоты.

Преимущества ГО метода выделения также наглядно продемонстрированы в   [G.K. Zhavnerko, et al. Composite LangmuirBlodgett films of behenic acid and CdTe nanoparticles: the structure and reorganization on solid surfaces // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 202 (2002) 233–241], где показано, что ламеллярные комплексы бегеновой кислоты с квантовыми точками намного крупнее по сравнению со структурами, полученными при выделении той же пленки вертикальным методом, когда происходит процесс разупорядочения комплексов. Более того, в случае осаждения пленки горизонтальным методом проявляется ориентирующее влияние подложки на комплексы. Следует говорить о протекании процессов самоорганизации вещества монослоя в процессе выделения пленки горизонтальным методом.

Еще одной особенностью ГО выделения является существенно большее количество индивидуальных химических соединений, пригодных для формирования  пленок. Классический пример – выделение жирных кислот. В случае ВМ формирование качественной пленки возможно лишь с поверхности ионной субфазы, а в случае ГО – даже с поверхности деионизованной воды. При этом возможно выделение не только молекул поверхностно-активных веществ, но и значительно более крупных «строительных» блоков. Например, ГО выделение позволяет формировать монослои частиц микронных размеров (рис. 4).

Рис. 4: Примеры однослойных пленок кремния, выделенных с водной поверхности на стекло. Монослои формировали из порошков  с различным размером частиц кремния: от 50 нм до 3 мкм (пленки от светло- до темно-коричневого цвета).