Исследование свободной поверхностной энергии тонкой пленки COANP с разной концентрацией фуллеренов C₇₀

Введение. Управление поверхностными свойствами тонкопленочных органических систем, такими, как смачиваемость и адгезия, является ключевой задачей для их применения в оптоэлектронике и фотонике. Модификация поверхности за счет введения наночастиц – перспективный подход к целенаправленному изменению этих свойств. В частности, изучение влияния фуллеренов на свободную поверхностную энергию (СПЭ) органических пленок открывает возможности для создания материалов с заданными функциональными характеристиками, например оптических ограничителей лазерного излучения.
Цель работы. Экспериментальное исследование влияния фуллерена C70 на свободную поверхностную энергию и ее составляющие (полярную и дисперсионную) тонких пленок 2-циклооктиламино-5-нитропиридина (COANP). Расчет СПЭ для трех образцов методом OWRK на основе измерения краевых углов смачивания.
Материалы и методы. Объекты исследования: тонкие пленки COANP, сенсибилизированные фуллереном C70, сформированные методом центрифугирования на стеклянных подложках. Измерение краевых углов смачивания проведено на специализированной установке OCA 15EC с использованием дистиллированной воды и жидкого вазелина ЛП-004836. Обработка сечения капли выполнялась методом аппроксимации эллипсом в программном обеспечении прибора.
Результаты. Показано, что введение фуллеренов C70 в объем органической пленки приводит к существенному изменению ее поверхности: значительному снижению общей поверхностной энергии и кардинальному изменению ее структуры за счет резкого уменьшения полярной составляющей. Установлена зависимость поверхностных свойств от концентрации наночастиц. Обсуждается вклад модификации поверхности в такие нелинейно-оптические механизмы, как отражение лазерного пучка, что важно для объяснения снижения энергии проходящего мощного излучения в сенсибилизированных системах.
Заключение. Полученные результаты демонстрируют возможность целенаправленного управления поверхностной энергией и смачиваемостью тонкопленочных систем COANP посредством их сенсибилизации фуллеренами. Установленные закономерности открывают перспективы для применения данных материалов в устройствах оптоэлектроники и фотоники, включая оптические ограничители, модуляторы и дисплейные элементы, где ключевую роль играют контролируемые адгезионные и нелинейно-оптические свойства.

1. Park M. Surface Display Technology for Biosensor Applications: A Review // Sensors. 2020. Vol. 20, iss. 10. Art. № 2775 doi: 10.3390/s20102775

2. Dehghani M., David C. Light Scattering from Rough Silver Surfaces: Modeling of Absorption Loss Measurements // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, iss. 1. Art. № 113. doi: 10.3390/nano11010113

3. Ogura T. Surface light propagating in a dielectric thin film generated via micro-spheres // Optics Express. 2023. Vol. 31, iss. 14. P. 23198–23211. doi: 10.1364/OE.491907

4. Hejtman O. J., Fördös T., Dems M. Optimized surface gratings for high-speed polarization switching in spin-VCSELs // Optics Express. 2025. Vol. 33, iss. 20. P. 42803–42817. doi: 10.1364/OE.565522

5. Szablinski K., Moraczewski K. Numerical Modelling of Pulsed Laser Surface Processing of Polymer Composites // Materials. 2026. Vol. 19, iss. 3. Art. № 607. doi: 10.3390/ma19030607

6. 14N quadrupole coupling in COANP / J. Seliger, V. Zagar, R. Blinc, H. Arend, P. Gunter // Chemical Physics Let. 1987. Vol.142, iss. 5. P. 334–335. doi: 10.1016/0009-2614(87)85117-5

7. Linear- and nonlinear-optical properties of 2-cyclooctylamino-5-nitropyridine / Ch. Bosshard, K. Sutter, P. Günter, G. Chapuis // J. of the Optical Society of America B. 1989. Vol. 6, iss. 4. P. 721–725. doi: 10.1364/JOSAB.6.000721

8. NMR self-diffusion study of organic glasses: COANP, MBANP, PNP, NPP / G. Lahajnar, I. Zupančič, R. Blinc, A. Zidanšek, R. Kind, M. Ehrensperger // Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1994. Vol. 95. P. 243–247. doi: 10.1007/BF01312197

9. Dielectric study of dynamics of organic glasses / Y. Cui, J. Wu, N. Kamanina, A. Pasaje, A. Leyderman, A. Barrientos, M. Vlasse, B. G. Penn // J. of Phys. D: Appl. Phys. 1999. Vol. 32, № 24. P. 3215–3221. doi: 10.1088/0022-3727/32/24/318

10. Исследование эффекта оптического ограничения лазерного излучения в фуллеренсодержащей системе COANP-полиимид / Н. В. Каманина, Л. Н. Капорский, A. Leyderman, A. Barrientos // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, № 7. С. 24–30.

11. Effect of Fullerene Doping on the Absorption Edge Shift in COANP / N. Kamanina, A. Barrientos, A. Leyderman, Y. Cui, V. Vikhnin, M. Vlasse // Molecular Materials. 2000. Vol. 13, № 1–4. P. 275–280.

12. Каманина Н. В., Шека Е. Ф. Ограничители лазерного излучения и дифракционные элементы на основе системы COANP-фуллерен: нелинейно-оптические свойства и квантово-химическое моделирование // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 96, № 4. С. 659–673.

13. Solubility of C60 in a Variety of Solvents / R. S. Ruoff, D. S. Tse, R. Malhotra, D. C. Lorents // J. Phys. Chem. 1993. Vol. 97. P. 3379–3383.

14. OCA 15EC. Оптический прибор для измерения краевого угла смачивания. Руководство по применению OCA. URL: https://soctrade.com/booklets/OCA15EC_V2.6Ru.pdf (дата обращения: 05.10.2025).

15. Фуллерены – основа материалов будущего / В. И. Трефилов, Д. В. Щур, Б. П. Тарасов, Ю. М. Шульга, А. В. Черногоренко, В. К. Пишук, С. Ю. Загинайченко. Киев: АДЕФ-Украина, 2001. 148 c.

16. Колмаков А. Г., Баринов С. В., Алымов М. О. Основы технологий и применение наноматериалов. М.: Физматлит, 2012. 208 с.

17. Каманина Н. В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов – перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения / СПбГУИТМО. СПб., 2008. 137 с.

18. Энергии разрыва химических связей, потенциалы ионизации и сродство к электрону / Л. В. Гурвич, Г. В. Карачевцев, В. Н. Кондратьев, Ю. А. Лебедев, В. К. Медведев, В. К. Потапов, Ю. С. Ходеев. М.: Наука, 1974. 351 c.

19. Влияние фуллеренов С60 и С70 на спектр поглощения 2-циклооктиламино-5-нитропиридина / Н. В. Каманина, В. С. Вихнин, А. Лейдерман, А. Барриентос // Оптика и спектроскопия. 2000. Т. 89, № 3. С. 404–406.

20. Каманина Н. В. Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, № 4. С. 445–454. doi: 10.3367/UFNr.0175.200504f.0445

21. Owens, Wendt, Rabel and Kaelble (OWRK) method. URL: https://www.kruss-scientific.com/en/know-how/glossary/owens-wendt-rabel-and-kaelble-owrk-method (дата обращения: 30.09.2025).

22. Jie-Rong C., Wakida T. Studies on the surface free energy and surface of PTFE film treated with low temperature plasma // J. of Applied Polymer Science. 1998. Vol. 63, iss. 13. P. 1733–1739. doi: 10.1002/(SICI)1097-4628(19970328)63:13<1733:: AID-APP4>3.0.CO;2-H

23. Физические основы измерения сканирующей зондовой микроскопии: обработка изображений и источники погрешностей / А. А. Голубков, А. С. Игнатов, С. А. Зубрицкий, К. В. Осколок; Санкт-Петербургский государственный университет. Санкт-Петербург, 2021. 44 с.

24. Исламова А. Г., Феоктистов Д. В., Орлова Е. Г. Влияние шероховатости на поверхностную энергию и смачиваемость поверхностей меди и стали // Вестн. Тюменского гос. ун-та. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергия. 2021. Т. 7, № 1. С. 60–78. doi: 10.21684/2411-7978-2021-7-1-60-78

25. Kamanina N. V. Nanoparticles doping influence on the organics surface relief // J. of Molecular Liquids. 2024. Vol. 283. P. 65–68. doi: 10.1016/j.molliq.2019.03.043