Тонкие наноструктурированные пленки

Тонкие наноструктурированные пленки представляют собой органи­зованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами.

1. Хорошо известно получение нанопленок методами эпитаксии. В этом случае на ориентированную поверхность монокристалла наносят лазерным испарением или с помощью молекулярных пучков требуемое вещество.

2. Метод CVD (химическое парофазное осаждение веществ) состоит в том, что исходное вещество испаряется в отдельной камере, а затем переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на вы­бранную подложку. На рис. 1.17 приведена схема установки по по­лучению тонких пленок на выбранную поверхность, которая включает реактор с вращающейся под­ложкой, емкости для испаре­ния прекурсоров, системы пода­чи паров прекурсоров, газов но­сителей, газов реагентов и примесных газов и систему откачки.

В качестве летучих веществ получения пленок металла используются летучие карбонилы металлов, металлоцены, дикетонаты металлов, алкильные соединения металлов и галогениды металлов. Процессы разложенмя исходного материала определяются прежде всего температурой подложки, которая обычно подогревается, а также температурой паров и газовой смеси.

В области низких температур подложки, например, 130÷190° С для Fe(CO)₅ и 100÷150⁰ С для Ni(CO)₄ рост пленки опреде­ляется в основном скоростью разложения карбонилов (кинетическая об­ласть), при температурах ~200° С рост пленки переходит в диффузионную область и замедляется, при более высоких температурах рост пленки пре­кращается полностью, поскольку прекурсор разлагается в объеме не дохо­дя до подложки. Нагрев подложки, находящейся внутри реактора, может осуществляться за счет пропускания электрического тока или индукцион­ным током высокой частоты, ИК излучением и т.д. Температура нагрева летучего прекурсора в испарителе также сильно влияет на образование пленки, так как обуславливает скорость подачи паров в реактор. Вторым фактором, определяющим образование пленки, является давление в реак­торе и скорость откачки. При увеличении давления разложение карбонилов на поверхности подложки замедляется и рост пленки прекращается, при уменьшении давления и скорости подачи прекурсора рост пленки бу­дет также замедляться. Необходим оптимум, который обеспечивает приток прекурсора и удаление продуктов разложения, например СО. Третий фак­тор, обеспечивающий образование пленки, это концентрация исходного металлсодержащего соединения. Увеличение концентрации прекурсора ведет к его разложению уже в объеме реактора и образованию отдельных кластеров металла, как в аэрозольном методе. Разбавление паров прекур­сора приводит к снижению скорости образования пленки и ее модифици­рованию. Наконец, действие каталитических добавок снижает температуру разложения карбонилов и увеличивает скорость их образования.

3. Метод молекулярного наслаивания состоит в организации поверхностных химических реакций с пространственным и временным разделением. С помощью замещения, например, гидроксильных групп на поверхности окиси алюминия или окиси кремния и на различные анионы, затем на катионы можно создавать нанопленки любой толщины от монослоя атомов до десятка слоев на поверхности.

4. Нанопленки получаются путем осаждения и выпаривания кол­лоидных растворов. Здесь необходимо иметь в виду, что создание высокоорганизованной пленки вступает в противоречие с ее прочностью. Пленки, полученные по принципу свободного падения кластеров типа падения апельсинов на подложку получаются организованными, но не­прочными, а попытки связать кластеры лигандами и сделать пленку достаточно прочной приводят к потери ее организации.

5. Эффективным методом получения нанопленок служит технология Ленгмюра—Блоджетт. Необходимо отметить, что метод был предложен более чем пятьдесят лет назад лауреатом Нобелевской премии (1932) Ленгмюром еще в 1920 г. и развит его коллегой Блоджетт в 1935 г. На поверх­ности воды формируется монослой ПАВ, в который могут входить ионы металлов и их комплексы. В пленку можно включить также и нанокластеры. Затем с помощью ванн Ленгмюра—Блоджетт пленки с поверхности жидкой фазы переносят на твердую поверхность. В результате получаются организованные нанопленки с регулируемым числом молекулярных слоев. Процесс получения пленок показан на рис. 1.18. На поверхность во­ды впрыскивается раствор амфифильного соединения (ПАВ). Количество вещества подбирается так, чтобы площадь его монослоя не превысила площадь рабочей поверхности ванны Ленгмюра. Затем с помощью плаву­чего барьера задается поверхностное давление, для того чтобы перевести монослой в жидкокристаллическое состояние, которое необходимо для его переноса на твердую подложку. Это давление регистрируется специ­альными весами. Далее с помощью микрометрической подачи подложка опускается или поднимается сквозь монослой.

Перед нанесением каждого следующего монослоя барьер ав­томатически сдвигается влево так, чтобы сохранить давление на пленку. Процесс осаждения монослоев на подложку зависит от температуры и рН раствора, поверхностного давления и скорости подачи подложки.

В зависимости от направления движения подложки сквозь монослой получается пленка Л—Б с различной молекулярной ориентацией. При движении подложки вниз, рис. 1.19, на твердой гидрофобной поверхности формируется монослой с ориентированными к подложке гидрофобными хвостами ПАВ, который образует структуру Х-типа, при движении гидро­фильной подложки вверх формируется мультислой, называемый структу­рой Z-типа. Поочередное прохождение подложки сквозь монослой сверху вниз и снизу вверх дает мультислой Y-типа, аналогичный по структуре липидным слоям биологических мембран. Возможно получение как мо­номерных, так и полимерных пленок Л—Б. В случае полимерных пленок возможно применение трех вариантов: формирование монослоев поли­меров на поверхности жидкости и их перенесение на твердую подложку, формирование монослоев из мономеров с последующей полимеризацией, а затем перенесение на твердую подложку и формирование монослоев из мономеров, перенесение их на твердую подложку, а затем полимериза­ция в пленке Л—Б.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) были обнаружены в 1991 г. Иджимой и представляют собой цилиндрические организованные структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до не­скольких микрон. Таким образом, нанотрубки представляют собой квази­одномерные структуры. Нанотрубки встречаются в природном материа­ле — шунгите — однако в настоящее время они получаются искусственно несколькими способами.

1. Наиболее широкое распространение получил метод синтеза, осно­ванный на использовании дугового разряда с графитовыми электро­дами, разработанный Кретчмером для получения фуллеренов из сажи. На рис. 1.20 показана схема установки.

Дуговой разряд между графитовыми электродами горит в камере с охлаждаемыми стенками при давлении буферного газа (Не или Аr) около 500 Торр.

Межэлектродное пространство поддерживается на посто­янном уровне (около 1 мм) за счет подвижного расходуемого анода. При токе 100 А и напряжении на электродах 25 -г 35 В температура плазмы в межэлектродной области достигает значений 4 000 К. За счет конвекции атомы углерода уносятся в более холодную область плазмы, где часть из них образуют нанотрубки. Более производительная установка работает с применением жидкого азота.

2. Абляция графита с помощью лазерного облучения в атмосфере буферного газа.

Именно этот метод был пионерским в получении фуллеренов. При­меняется неодимовый лазер с длительностью импульса 8 не и активным пятном на графитовом стержне — 1,6 мм. Продукты термического рас­пыления графита уносятся из горячей области вместе с буферным га­зом и осаждаются на водоохлаждаемой поверхности медного коллектора. Эти продукты включают фуллерены, наночастицы графита и углерод­ные нанотрубки (однослойные и многослойные). Характеристики УНТ чувствительны к параметрам лазерного облучения, в частности, к длитель­ности и интенсивности лазерного импульса, что позволяет синтезировать нанотрубки с заданными структурными свойствами. Недостатком мето­да

cледует считать его невысокую производительность. Возможно также применение вместо лазера сфокусированного солнечного излучения.

3. Каталитическое разложение углеводородов.

Каталитическое разложение углеводородов на поверхности металли­ческого катализатора приводит к эффективному выходу УНТ. Подобный метод использовался ранее в CVD процессах для получения тонких угле­водородных волокон. Схема синтеза приведена на рис. 1.21. Катализатор, состоящий из высокодисперсного металла, заполняет керамический ти­гель, заключенный в трубчатую печь при температуре 700 ÷ 1 000° С, и продувается смесью — газообразного углерода и буферного газа, на­пример смесью С₂Н₂ : N₂ в соотношении 1:10. Высокая степень од­нородности УНТ достигается при использовании пористой подложки с максимально высокой степенью однородности пор. Оптимальной ока­зывается ситуация, когда поры заполнены кластерами металла, размер которых совпадает с размерами пор. В этом случае диаметр УНТ, обра­зующихся на поверхности катализатора, оказывается близким к размерам кластера и, соответственно, диаметру пор. Таким способом получают ориентированные УНТ относительно поверхности подложки, в частности на поверхности пористого кремния, наиболее употребляемого материала в микроэлектронике. Каталитический способ получения УНТ хорош так­же возможностью управления геометрическими характеристиками УНТ с помощью подбора металлов для катализаторов или их сплавов.

Глава 2

Общие положения

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: