Автореферат (Исследование оптических и автоэмиссионых свойств углеродных наностенок)

На правах рукописиЕвлашин Станислав АлександровичИсследование оптических и автоэмиссионных свойств углеродныхнаностенок01.04.04 – физическая электроникаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядернойфизики имени Д.В.Скобельцына Московского Государственного Университетаимени М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,Суетин Николай ВладиславовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отделанизкотемпературной плазмы Троицкого института инновационных итермоядерных исследованийФилиппов Анатолий Васильевичкандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудниклабораторииспектроскопииультрабыстрыхпроцессовИнститутаспектроскопии Российской академии наукАсеев Сергей АнатольевичВедущая организация:Институт общей физики им.А.М.ПрохороваРоссийской академии наукЗащита состоится «18» сентября 2014 года в 16-30 на заседаниидиссертационного совета Д501.001.66 при Московском государственномуниверситете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, д.

1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/ .Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,кандидат физико-математических наук«17» июля 2014 годаИ.Н.КарташовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена исследованию автоэмиссионных и оптическихсвойств углеродных наностенок.Актуальность проводимых исследований обусловлена большиминтересом к углеродным структурам и возможностью их применения вразличных типах устройств.

Интерес к углеродным материалам не угасает напротяжении последних десятилетий в связи с их уникальными физическими иструктурными свойствами. В конце прошлого века основные усилия ученыхбыли направлены на разработку и исследование свойств фуллеренов,углеродных нанотрубок и синтетического алмаза. В 2004 году был открытграфен, который продемонстрировал уникальные оптические, электронные,термические и структурные свойства.В данной диссертации исследуются автоэмиссионные и оптическиесвойства так называемых «Carbon NanoWalls», которые известны в течениепоследних 20 лет.

Активное использование данного термина началось с 2002 г.[1]. «Carbon NanoWalls» может быть переведено на русский язык какуглеродные наностенки, углеродные листы, нанокристаллический графит и т. д.Углеродные наностенки состоят, как правило, из графеновых листов,расположенных практически перпендикулярно поверхности подложки и иногдаиз углеродных нанотрубок. Последние, как показано в диссертации, образуютсяв результате сворачивания углеродных листов. Среднее расстояние междуграфеновыми слоями внутри углеродных наностенок составляет 0.34 нм, чтосоответствует расстоянию между углеродными слоями в графите, а ширина ивысота таких структур варьируется от сотен нанометров до несколькомикрометров [2].

Такие структуры обладают большой площадью поверхности,являются химически инертными и электропроводящими, что делает ихперспективными в целом ряде практических применений, среди которых стоитотметить катоды для полевой эмиссии, подложки для различных катализаторов,оптические покрытия и другие.Как и другие углеродные материалы, углеродные наностенки могут бытьсинтезированы при помощи различных газофазных методов [2], а также сиспользованием диэлектрофореза [3]. Последний метод позволяет получатьструктуры на больших поверхностях.

В данной диссертации проводитсяисследование роста углеродных наностенок, осаждаемых методом газофазногосинтеза с плазмохимической активацией разрядом постоянного тока. Основные3эксперименты проведены для наиболее часто используемой смеси газов: метанаи водорода, хотя подобные структуры могут быть выращены с использованиемдругих газофазных источников углерода. Используемый метод в зарубежнойлитературе называется Direct Current Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(DC PECVD). Углеродные наностенки могут быть выращены на различныхподложках, которые имеют температуру плавления выше 700 °С.

В нашихработах они были успешно синтезированы на поверхности кремния [A1],кварце [A1], нержавеющей стали [A2], стеклоуглероде [A3] пористом кремнии[A4], никеле [4], титане, и т.д.Цель работы состояла в исследовании влияния параметров осаждения наавтоэмиссионные иоптические свойстваполучаемыхуглеродныхнаноматериалов.

Для достижения цели были решены следующие задачи:1.Для снижения порога автоэмиссии получаемых наноструктур былпредложен и разработан метод их осаждения на пористый кремний,полученный с помощью метода фотоэлектрохимического травления.2.Поскольку температура является одним из наиболее критическихпараметров синтеза, было проведено исследование влияния температурыосаждения на структурные и автоэмиссионные свойства синтезированныхструктур.3.Для определения оптических свойств углеродных наностенок былопроведено измерение их оптических характеристик в диапазоне 0.4 до 200 мкм.Измерения были проведены для пленок различной морфологии и толщины.Обоснованностьидостоверностьполученныхрезультатовподтверждается многократным повторением, а также независимымитестированиями синтезированных материалов в лабораториях другихинститутов, а также в других лабораториях МГУ.

В некоторых главахэкспериментальные результаты подкреплены теоретическими расчетами.Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:1.С целью снижения порога автоэлектронной эмиссии и увеличенияплотности автоэмиссионного тока впервые предложено использоватьповерхность пористого кремния в качестве подложки для осажденияуглеродных наностенок.

Структуры пористого кремния создавались методомфотоэлектрохимического травления. Было показано, что параметры травленияоказывают существенное влияния на структурные и автоэмиссионные свойстваполученного материала.42.Впервые произведено исследование влияния температуры синтеза наавтоэмиссионные свойства получаемых структур.3.Впервые произведено исследование оптических свойств углеродныхнаностенок разной морфологии и толщины.4.Было достигнуто отражение от углеродных наностенок менее 1% ипоглощение более 99% в видимом диапазоне длин волн. Поглощение вдиапазоне длин волн от 1.3 до 20 мкм составляет более 90%.5. Коэффициент отражения полученных углеродных наностенок не зависитот поляризации падающего излучения.Практическая значимость.

Созданные автоэмиссионные катоды,обладающие низким порогом эмиссии и высокой плотностью тока, могут бытьиспользованы в различных областях электронной техники, таких какрентгеновские трубки, СВЧ приборы, дисплеи и т.п.Исследование оптических свойств открывает возможность использованияуглеродных наностенок для создания болометров, термографов и другихустройств с низким коэффициентом отражения.Защищаемые положения.1.Варьируя параметры фотоэлектрохимического травления кремния можноуправлять количеством центров нуклеации при росте углеродных структур.2.Режимы фотоэлектрохимического травления кремния оказываютсущественное влияние на автоэмиссионные свойства получаемых структур.3.Температура поверхности подложки в процессе синтеза углеродныхнаностенок оказывает влияние на морфологию и автоэмиссионные свойстваполучаемых структур.4.Углеродные наностенки обладают уникальными оптическими свойствамив широком диапазоне длин волн.

На пленках толщиной в несколькомикрометров может быть достигнуто значение поглощения более 99% ввидимом диапазоне, а поглощение в диапазоне 1.3 – 20 мкм составляет более90%.5.Для управления плотностью и толщиной углеродных наностенок можетиспользоваться многостадийный рост.6.Дефекты графеновых слоев оказывают влияние на оптические свойстваполучаемого материала.5Личный вклад автора.

Автором был предложен и разработан методструктурирования кремния с последующим ростом нанокристаллическогографита на нем, изучено влияние обработки поверхности на структурные иавтоэмиссионные свойства получаемого материала. Автором было произведеноэкспериментальное исследование влияние температуры синтеза на структурныеи автоэмиссионные свойства получаемых пленок.

Автором исследовалисьоптические свойства углеродных наностенок разной морфологии и толщины, ипроизведено исследование влияния дефектности структур на оптическиехарактеристики.Публикации результатов представлены на международных конференцияхи опубликованы в высокорейтинговых журналах. Основные результаты работыопубликованы в научных статьях [А1, А2, А3, А4] и сборниках трудов [B1, B2,B3, B4].Апробация результатов. Результаты опубликованы в хорошо известныхпо данной теме журналах и представлены на международных конференциях,семинарах.Структура и объем. Диссертация содержит введение, четыре главы,заключение и список использованной литературы.

Текст диссертации изложенна 122 страницах, включающих 34 рисунка, 6 таблиц. Библиография включает116 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели изадачи исследования, приводятся положения выносимые на защиту,описываются задачи, решенные для достижения поставленных целей, научнаяновизна и практическая значимость работы, приводятся сведения опубликациях результатов и их апробации.Глава 1.