Диссертация (Исследование оптических и автоэмиссионых свойств углеродных наностенок)

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. СкобельцынаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНа правах рукописиЕВЛАШИН СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧИсследование оптических и автоэмиссионных свойств углеродныхнаностенок01.04.04 – физическая электроникаДиссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукСуетин Н.

В.Москва 2014ОглавлениеВведение ....................................................................................................................... 5Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХСТРУКТУР И ИХ ФОРМИРОВАНИЮ ..................................................................

111.1 Введение ........................................................................................................... 111.2 Методы роста углеродных наностенок ......................................................... 121.2.1 Рост углеродных наностенок с помощью горячей нити....................... 121.2.2 Плазмохимическое осаждение с помощью индуктивной- и емкостносвязанной плазмы .............................................................................................. 131.2.3 Рост углеродных наностенок с помощью СВЧ плазмы........................ 161.2.4 Синтез углеродных наностенок в CVD реакторе ..................................

161.2.5 Плазмохимическое осаждение в разряде постоянного тока ................ 171.2.6 Осаждение структур с помощью электрофореза. ................................. 171.3 Механизмы формирования углеродных наностенок, многослойныхнанотрубок и графена ........................................................................................... 18ГЛАВА 2 ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗАСТРУКТУР .................................................................................................................

242.1 Экспериментальная установка ....................................................................... 242.2 Методы обработки поверхности образцов ................................................... 252.3 Характеристики получаемых структур ......................................................... 272.4Исследованиеструктурприпомощисканирующейэлектронноймикроскопии .......................................................................................................... 282.5 Анализ образцов с использованием просвечивающей электронноймикроскопии .......................................................................................................... 312.6 Рамановская спектроскопия ...........................................................................

332.7 Практическое применение углеродных наностенок .................................... 352.8 Выводы к Главе 2 ............................................................................................. 37ГЛАВА 3 ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК, ПОЛУЧЕННЫХ2НА РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ И ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХСИНТЕЗА ................................................................................................................... 383.1 Обзор литературы о существующих эмиссионных структур ..................... 383.1.1 Механизмы электронной эмиссии ..........................................................

383.1.2 Эмиссионные свойства неорганических веществ................................. 403.1.3 Эмиссионные структуры на основе алмаза ........................................... 423.1.4 Полевая эмиссия углеродных нанотрубок ............................................. 443.1.5 Полевая эмиссия углеродных наностенок ............................................. 453.2 Фотоэлектрохимическое структурирование кремния как новый методподготовки поверхности для роста углеродных наностенок и исследование иххарактеристик ........................................................................................................

493.2.1 Введение .................................................................................................... 493.2.2 Экспериментальная часть ........................................................................ 523.2.3 Обсуждение полученных результатов ....................................................

543.2.4 Объяснение получаемых эмиссионных характеристик образцов ....... 583.3 Эмиссионные характеристики пленок, полученных при различныхтемпературах синтеза ............................................................................................ 613.3.1 Экспериментальная часть ........................................................................ 613.3.2 Обсуждение результатов .......................................................................... 623.4 Выводы к Главе 3 .............................................................................................

73ГЛАВА4ОПТИЧЕСКИЕХАРАКТЕРИСТИКИУГЛЕРОДНЫХНАНОСТЕНОК ......................................................................................................... 754.1 Обзор литературы существующих антиотражающих покрытий. .............. 754.2 Измерение оптических свойств углеродных наностенок ............................ 844.2.1 Введение ........................................................................................................ 844.3 Экспериментальная часть ............................................................................... 854.4Изменение оптических свойств структур в зависимости от времениосаждения.

.............................................................................................................. 874.4.1 Экспериментальная часть синтеза образцов разной толщины ............ 8734.4.2 Структурные характеристики образцов ................................................. 884.4.3 Оптические характеристики.................................................................... 914.5 Синтез и исследование свойств углеродных наностенок различнойморфологии ............................................................................................................ 944.5.1 Экспериментальная часть синтеза пленок разной морфологии ..........

944.5.2 Характеристики получаемых образцов .................................................. 954.5.3 Оптические характеристики образцов разной морфологии ................ 974.6 Влияние дефектности образцов на оптические свойства ......................... 1004.7 Характеристики углеродных наностенок в ИК диапазоне ........................ 1034.7 Выводы к Главе 4 ............................................................................................... 106ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ..................................................................

108Список литературы .................................................................................................. 1104ВведениеДиссертация 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 [ 1],углеродных нанотрубок [1] и синтетического алмаза [ 2]. В 2004 году был открытграфен [3], который продемонстрировал уникальные оптические, электронные,термические и структурные свойства.Среди возможных форм углерода по размерности можно выделитьнульмерные, одномерные и двухмерные структуры.

К нульмерным относятсяфуллерены, к одномерным относятся нанотрубки, к двухмерным графен иуглеродные наностенки. Данные материалы могут быть получены разнымиспособами, в том числе с использованием различных плазмохимическихметодов, химических методов, путем отслоения высокоориентированногографита и раскрытия нанотрубок.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.[4]. «Carbon NanoWalls» может быть переведено на русский язык как углеродныенаностенки, углеродные листы, нанокристаллический графит и т.

д. Мы будемназывать такие структуры углеродные наностенки или нанокристаллическийграфит, в зависимости от контекста. Нанокристаллический графит будетупотребляться при измерениях свойств полевой эмиссии, т. к. определяющими вавтоэмиссионных свойствах структурбудет являться многостенныенанотрубки, а не углеродные наностенки, во всех остальных случаях будетиспользоваться термин углеродные наностенки, т.