pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-4-55-62pimi-348Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsАНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОЛИМЕРОВ МОДИФИЦИРОВАННЫМ ЗОНДОМ КЕЛЬВИНАANALYSIS OF THE ELECTROPHYSICAL AND PHOTOELECTRIC PROPERTIES OF NANOCOMPOSITE POLYMERS BY THE MODIFIED KELVIN PROBEПантелеевК. В.PantsialeyeuK. U.

Адрес для переписки: Пантелеев К.В. – Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, г. Минск 220013,    e-mail: nil_pt@bntu.by

Address for correspondence: Pantsialeyeu K.U. – Belarusian National Technical University, Nezavisimosty Ave., 65, Minsk 220013, Belarus     e-mail: nil_pt@bntu.by

nil_pt@bntu.byКравцевичА. В.KrautsevichA. U.РовбаИ. А.RovbaI. A.ЛысенкоВ. И.LysenkoV. I.ВоробейР. И.VorobeyR. I.ГусевО. К.GusevO. K.ЖаринА. Л.ZharinA. L.Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusНаучно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьScientific and Research Center for Resource Saving, A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of BelarusBelarusИнститут теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАНРоссияKhristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation20171512201784386397Copyright © Пантелеев К.В., Кравцевич А.В., Ровба И.А., Лысенко В.И., Воробей Р.И., Гусев О.К., Жарин А.Л., 20172017Пантелеев К.В., Кравцевич А.В., Ровба И.А., Лысенко В.И., Воробей Р.И., Гусев О.К., Жарин А.Л.Pantsialeyeu K.U., Krautsevich A.U., Rovba I.A., Lysenko V.I., Vorobey R.I., Gusev O.K., Zharin A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/348

В настоящее время для анализа однородности свойств материалов широкое распространение получают различные модификации сканирующего зонда Кельвина, позволяющие картировать пространственное распределение электростатического потенциала поверхности. В случае диэлектриков анализ однородности электропотенциального профиля не является достаточным для описания каких-либо конкретных физических параметров. Поэтому используется внешнее энергетическое воздействие, в частности оптическое излучение. Целью данной работы являлись модификация сканирующего зонда Кельвина и проведение экспериментальных исследований пространственного распределения электростатического потенциала актуальных композитных полимеров и его отклика на зондирующее воздействие оптическим излучение.

Исследования выполнены на опытных образцах композитов на основе полиэтилена высокого давления, наполненных углеродным наноматериалом и наночастицами диоксида кремния или алюминия. В результате исследования получены карты пространственного распределения относительных значений электростатического потенциала и поверхностной фото-ЭДС. Проведен статистический анализ однородности электрофизических и фотоэлектрических свойств композитов в зависимости от их компонентного состава. Также применительно к матричным полимерам сканирующий зонд Кельвина в совокупности с оптическим зондированием позволил обнаружить пьезоэлектрический эффект. Последнее может быть использовано в качестве основы для разработки новых методов исследования механических свойств матричных полимеров.

At present for analysis of the homogeneity of materials properties are becoming widely used various modifications of a scanning Kelvin probe. These methods allow mapping the spatial distribution of the electrostatic potential. Analysis of the electropotential profile is not sufficient to describe any specific physical parameters of the polymer nanocomposites. Therefore, we use an external energy impact, such as light. Purpose of paper is the modification of the Kelvin scanning probe and the conduct of experimental studies of the spatial distribution and response of the electrostatic potential of the actual polymer nanocomposites to the optical probing.

Carried out the investigations on experimental Low density polyethylene composites. Carbon nanomaterials and nanoparticles of silicon dioxide or aluminum as fillers are used. As a result, maps of the spatial distribution of the electrostatic potential relative values and the surface photovoltage. Statistical analysis of the electrophysical and photoelectric properties homogeneity, depending on the component composition of the composites carried out. In addition, with reference to matrix polymers, the Kelvin scanning probe, in combination with the optical probing, made it possible to detect a piezoelectric effect. The latter, can used as a basis for the development of new methods for studying the mechanical properties of matrix polymers.

сканирующий зонд Кельвинаконтактная разность потенциаловэлектростатический потенциалфото-ЭДСполимерные нанокомпозитыscanning Kelvin probecontact potential differenceelectrostatic potentialsurface photovoltagenanocomposite polymersReferencesSubrahmanyam, A. The Kelvin Probe for Surface Engineering: Fundamentals and Design /A. Subrahmanyam, S. Kumar. – USA : CRC Press, 2010. – 200 p.Subrahmanyam A., Kumar S. The Kelvin Probe for Surface Engineering: Fundamentals and Design. USA, CRC Press, 2010, 200 p.Zharkikh, Yu.S. Mechanic-electrical transformations in the Kelvin method / Yu.S. Zharkikh, S.V. Lysochenko // Applied Surface Science. 2017. – Vol. 400. – P. 71–76.Zharkikh Yu.S., Lysochenko S.V. Mechanic- electrical transformations in the Kelvin method. Applied Surface Science, 2017, vol. 400, pp. 71–76.Kelvin probe force microscopy and its application / W. Melitz, J. Shen, A.C. Kummel, S. Lee // Surface Science Reports. – 2011. – Vol. 66. – P. 1–27. doi: 10.1016/j.surfrep.2010.10.001Melitz W., Shen J., Kummel A.C., Lee S. Kelvin probe force microscopy and its application. Surface Science Reports, 2011, vol. 66, pp. 1–27. doi: 10.1016/j.surfrep.2010.10.001Noras, M.A. Charge detection methods for dielectrics – Overview / M.A. Noras // Trek Application Note. – 2003. – No. 3005. – P. 1–13.Noras M.A. Charge detection methods for dielectrics – Overview. Trek Application Note, 2003, no. 3005, pp. 1–13.Scanning electric potential microscopy imaging of polymers: electrical charge distribution in dielectrics / A. Galembeck, C.A.R. Costa, M.C.V.M. da Silva, E.F. Souza, F. Galembeck // Polymer. – 2001. – Vol. 42. – P. 4845−4851. doi: 10.1016 / S0032-3861 (00) 00921-6Galembeck A., Costa C.A.R., Silva M.C.V.M., Souza E.F., Galembeck F. Scanning electric potential microscopy imaging of polymers: electrical charge distribution in dielectrics. Polymer, 2001, vol. 42, pp. 4845−4851. doi: 10.1016 / S0032-3861 (00) 00921-6The mosaic of Surface Charge in Contact Electrification / H.T. Baytekin, A.Z. Patashinski, M. Branicki, B. Baytekin, S. Soh, B.A. Grzybowski // Science. – 2011. – Vol. 333. – P. 308–312. doi: 10.1126 / science.1201512Baytekin H.T., Patashinski A.Z., Branicki M., Baytekin B., Soh S., Grzybowski B.A. The mosaic of Surface Charge in Contact Electrification. Science, 2011, vol. 333, pp. 308–312. doi: 10.1126 / science.1201512Влияние высокодисперсного наполнителя на адгезионные и фрикционные свойства сополимера этилена с винилацетатом / А.И. Свириденок, А.Л. Жарин, А.В. Кравцевич, А.К. Тявловский // Трение и износ. – 2014. – Т. 35, № 4.– С. 401–410.Sviridenok A.I., Krautsevich A.U., Zharin A.L., Tyavlovsky A.K. The effect of high-dispersion fillers on adhesive and frictional properties of Ethylene-Vinyl Acetate copolymer. Journal of Friction and Wear, 2014, iss. 35, no. 4, pp. 255–262.Ebrahimi, G. Investigation on corrosion protection mechanism of polyaniline nanoparticles doped with phosphoric acid by scanning Kelvin probe and other electrochemical methods / G. Ebrahimi, F. Rezaei, J. Neshati // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. – 2016. – P. 1–10. doi: 10.1016/j.jtice.2016.11.007Ebrahimi G., Rezaei F., Neshati J. Investigation on corrosion protection mechanism of polyaniline nanoparticles doped with phosphoric acid by scanning Kelvin probe and other electrochemical methods. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2016, pp. 1–10. doi: 10.1016/j.jtice.2016.11.007Schroder, D. Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications / D. Schroder // Measurement Science & Technology. – 2001. – Vol. 3. – No. 12. – P. R16–R31.Schroder D. Surface voltage and surface photovoltage: history, theory and applications. Measurement Science & Technology, 2001, vol. 3, no. 12, pp. R16–R31.Davies, D.K. Charge generation of dielectric surfaces / D.K. Davies // Journal of Physics. D: Applied Physics. – 1969. – No. 2. – P. 1533–1537. doi: 10.1088/0022-3727/2/11/307Davies D.K. Charge generation of dielectric surfaces. Journal of Physics. D: Applied Physics, 1969, no. 2, pp. 1533–1537. doi: 10.1088/0022-3727/2/11/307Vorobey, R.I. Controlling the characteristics of photovoltaic cell based on their own semiconductors / R.I. Vorobey, [at al.] // Przeglad Elektrotechniczny. – 2015. – No. 8. – P. 81–85. doi:10.15199/48.2016.08.52Vorobey R.I. Gusev O.K. Tyavlovsky A.K., Svistun A.I., Shadurskaja L., Yarzhembiyskaja N., Kerczynski K. Controlling the characteristics of photovoltaic cell based on their own semiconductors. Przeglad Elektrotechniczny, 2015, no. 8, pp. 81–85. doi:10.15199/48.2016.08.52Zisman, W.A. A new method of measuring contact potential differences in metals / W. A. Zisman // Review of Scientific Instruments. – 1932. – No. 3. – P. 367–370. doi: 10.1063/1.1748947Zisman W.A. A new method of measuring contact potential differences in metals. Review of Scientific Instruments, 1932, no. 3, pp. 367–370. doi: 10.1063/1.1748947Пантелеев, К.В. Построение измерителей контактной разности потенциалов / К.В. Пантелеев, В.А. Микитевич, А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений. – 2016. – Т. 7, № 1. – С. 7–15. doi:10.21122/2220-9506-2016-7-1-7-15Pantsialeyeu K.U., Mikitsevich U.A., Zharin A.L. [Design of the contact potentials difference probes]. Devices and Methods of Measurements, 2016, no. 1, vol. 7, pp. 7–15 (in Russian). doi : 10.21122/2220-9506-2016-7-1-7-15Wicinski, M. Lateral resolution in scanning Kelvin probe microscopy / M. Wicinski, W. Burgstaller, A.W. Hassel // Corrosion Science. – 2016. – Vol. 104. – P. 1–8. doi: 10.1016/j.corsci.2015.09.008Wicinski M., Burgstaller W., Hassel A. W. Lateral resolution in scanning Kelvin probe microscopy. Corrosion Science, 2016, vol. 104, pp. 1–8. doi: 10.1016/j.corsci.2015.09.008Multitip scanning bio-Kelvin probe / I.D. Baikie, Smith, D.M. Porterfield, P.J. Estrup // Review of Scientific Instruments. – 1999. – Iss. 70. doi: 10.1063/1.1149678Baikie I.D., Smith P.J S., Porterfield D.M., Estrup P.J. Multitip scanning bio-Kelvin probe. Review of Scientific Instruments, 1999, iss. 70. doi: 10.1063/1.1149678

The authors declare that there are no conflicts of interest present.