Обратимый электростатический «клей»

Вся клеевая индустрия основывается на двух физических явлениях – адгезии (от лат. adhaesio – прилипание) и когезии (cohaesus – связывание, сцепление). В основе их лежат силы межмолекулярного взаимодействия («силы Ван-дер-Ваальса»). Для обеспечения высокой адгезии клей должен обладать хорошей текучестью. Практически все известные клеи – цианоакрилатные, акриловые, силиконовые, полиуретановые, эпоксидные, отверждаемые УФ-излучением – имеют жидкую составляющую. Ее затвердевание, обеспечивающее высокую когезию, достигается во второй стадии процесса склеивания – при полимеризации, которая является достаточно длительной, до нескольких часов.

Можно ли разорвать клеевое соединение без ущерба для качества поверхности? После полной полимеризации, как правило, невозможно. Однако есть исключения – обратимые клеи. К ним относятся, например, термоклеи – полимеры, которые становятся жидкими при нагревании, а при остывании вновь отвердевают. Этот процесс полностью обратим, но обладает заметной инерционностью, и каждый раз для его осуществления требуется значительная тепловая энергия.

В ИАиЭ СО РАН разработано принципиально новое научно-техническое решение задачи сцепления поверх­ностей твердых тел. В лаборатории тонкопленочных сегнетоэлектрических структур создана технология обратимого быстродействующего «склеивания» поверх­ностей без использования жидкой среды – с помощью энергии электростатического поля. Объект исследования – новые для микроэлектроники тонкопленочные структуры: металл (полупроводник) – сегнетоэлектрик – подвижный электрод.

Сегнетоэлектрики, как известно, характеризуются очень большой диэлектрической проницаемостью: например, для сегнетоэлектрической пленки (СП) ниобата бария стронция (НБС) ее значение достигает 1000–5000. Эта большая величина определяет такое распределение электрического поля в структуре при подаче на нее напряжения, что основная часть потенциала оказывается приложенной к воздушному зазору между подвижным электродом и СП. С ростом напряжения зазор нелинейно уменьшается (из-за прижатия упругого тонкого электрода) – вплоть до величины 5–100 нм, определяемой шероховатостью поверхности сегнетоэлектрика. Таким образом, именно к подвижному электроду прикладывается практически вся электростатическая сила, и чем меньше зазор, тем больше сила прижатия.

В реально работающей структуре (сегнетоэлектрик – ниобат бария стронция, модифицированный лантаном; подложка – сапфир; подвижный электрод – бериллиевая бронза) за очень короткое время (микросекунды) с помощью напряжения 10–100 В удавалось создать механический контакт с силой притяжения поверхностей до 1000 кг/см² и более. Время выключения сцепления менее 1 мкс.

Следует подчеркнуть, что для обычных диэлектриков падение напряжения на нанометровом зазоре незначительно, и эффект отсутствует. Важным моментом является возможность приложения к нанометровому зазору больших напряжений без его пробоя (электрическая прочность используемых СП достаточно высока),

а ­также слабое накопление в пленке заряда при дей­ствии поля и быстрая его релаксация после выключения импульса напряжения (определяемая высоким качеством кристаллической структуры СП).

Отметим, что характеристики цианоакрилата, имеющего самую высокую среди традиционных клеев проч­ность на разрыв, практически на порядок превосходят механические характеристики рассмотренной структуры. Однако «электронный клей», разработанный в Институте автоматики и электрометрии, обладает такими неоспоримыми преимуществами, как быстродействие и обратимость. Основная область применения эффекта – это микроэлектромеханические системы, или MEMS: микродвигатели, быстродействующие микроклапаны, микрооптика, датчики давления, микронасосы и т. п.

Д. ф.-м. н. Э. Г. Косцов
(Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск)