«На сегодняшний день имеются лишь отрывочные сведения о диэлектрических свойствах полинорборненов. Наше исследование — это, по сути, первая попытка оценить влияние химической структуры полинорборненов на их диэлектрические свойства, — говорит Глеб Карпов, младший научный сотрудник лаборатории кремнийорганических и углеводородных циклических соединений Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН. — Пока что нельзя сказать, что у нас есть полимер с лучшим набором характеристик для микроэлектроники — у изученных материалов есть свои недостатки. Однако теперь можно прогнозировать, какие полинорборнены подойдут под требования отрасли».
Кроме разных видов топлива, в результате переработки нефти получают пластики, полиэтилен, красящие вещества, ткани и другие востребованные продукты. В перспективе нефтепереработка может дать и новые материалы с уникальными, пока не достигнутыми свойствами. Например, из полимеров на основе распространенного углеводорода норборнена можно получить и мембраны для разделения смесей газов, и прочные наполнители для композитов, и прозрачные пленки для оптики. Норборнен привлекает химиков, так как производится из доступного сырья, а полимеры из него устойчивы к воздействию высоких температур и могут использоваться как диэлектрики.
Применение материалов с такими свойствами, как у полинорборненов, позволит увеличить скорость работы и производительность микрочипов во всей микроэлектронике — от смартфонов и компьютеров до систем управления атомными электростанциями. Но чтобы целенаправленно придавать материалу нужные характеристики, нужно понимать, как они связаны со структурой и составом полимера. На полинорборненах изучать такие закономерности удобно: особенности молекул мономера позволяют не только формировать полимерные цепи, но и присоединять разнообразные группы атомов. Химический состав этих групп-заместителей меняет структуру полимерной цепи и возможности применения материала.
Химики из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН (Москва) исследовали, какие составы и структуры полинорборненов делают их оптимальными диэлектриками. Для эксперимента ученые синтезировали по собственным методикам восемь разных полимеров. Половина из них состоит в основном из атомов углерода, водорода и кремния (последний включается в полимерную цепь в составе боковых заместителей), а другая группа полимеров содержит фтор. Для измерения диэлектрических свойств из полинорборненов сделали тонкие пленки: материалы растворили в толуоле, а затем высушили смесь. Главный исследованный показатель — относительная диэлектрическая проницаемость. Она характеризует силу взаимодействия между двумя электрическими зарядами в анализируемом веществе относительно вакуума. При воздействии электрического поля в полимере возникает поляризация — смещение положительных и отрицательных зарядов в противоположных направлениях, которое может приводить к появлению электропроводности. Чем меньше проявляется поляризация, тем ниже диэлектрическая проницаемость и лучше изоляционные свойства материала, а также выше скорость передачи сигнала в устройстве.
Ученые помещали диски из полимерных пленок в электрическое поле при температурах от -100 до +100 °C. Оказалось, что у синтезированных российскими химиками полинорборненов самая низкая диэлектрическая проницаемость среди всех исследованных полимеров группы. Самое малое из найденных значений — 1,94. Для сравнения, у диоксида кремния, который применяется в микроэлектронике, значение этой величины находится в районе 4,0. Это значит, что использование полинорборнена вместо диоксида кремния позволит увеличить скорость передачи сигнала более чем в два раза.
Чтобы определить, с чем связана такая низкая диэлектрическая проницаемость, ученые исследовали другие характеристики полимеров. К примеру, известно, что чем больше объем пустого пространства внутри пористых материалов, тем интереснее диэлектрические свойства. Объем пор оценили по поглощению материалами азота. Оказалось, для материалов без добавления фтора диэлектрическая проницаемость действительно связана с объемом пористого пространства: самое высокое ее значение обнаружено у материала с 15% пустого пространства в образце, а самое низкое — с 30%. Для материалов с фтором ученые нашли другую зависимость: диэлектрическая проницаемость уменьшается при увеличении количества фтора в образце. Кроме того, исследователи сравнили механические свойства полимеров, их устойчивость к нагреванию и способность поглощать воду. Все образцы оказались гидрофобными и показали устойчивость к высоким температурам, что делает их перспективными материалами для микроэлектроники.
В работе также участвовали исследователи из Первого МГМУ имени И. М. Сеченова, Института физики Казанского федерального университета и Института химической физики имени Н. Н. Семенова РАН.
