Исследование структурно-морфологических свойств поликристаллических углеродных пленок

На правах рукописиКопылов Петр ГеннадьевичИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОКСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2010 г.Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессорОбразцов Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,Ельцов Константин НиколаевичКандидат физико-математических наук, с.н.с.Клинов Дмитрий ВладимировичВедущая организация:Московский физико-технический институтЗащита диссертации состоится “19” мая 2010 года в 15:30 на заседании специализированногоСовета Д 501.002.01 при Московском государственном университете им.

М.В. Ломоносова поадресу: 119991 ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, дом. 1, стр. 2, Физический факультетМГУ, Южная физическая аудитория.С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “16” апреля 2010 года.Ученый секретарь диссертационного советаД.501.002.01 при МГУ им. М.В. Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцентТ.В.

Лаптинская2Общая характеристика работыНастоящая работа посвящена изучению механизмов формирования углеродныхполикристаллических материалов в ходе процесса плазмохимического осаждения, ивключает в себя разработку методов получения таких материалов и последующеевсестороннееизучениеихстуктурно-морфологическиххарактеристик.Вработеисследовались углеродные материалы, состоящие преимущественно из алмаза или графитаили их смеси в различных пропорциях. При этом алмазные материалы в виде тонких пленоксостояли из кристаллитов с размерами в диапазоне от нескольких микрометров до единицнанометров. Графитные материалы также представляли собой пленки, состоящие изпластинчатых кристаллитов, размеры которых в направлении, перпендикулярном атомнымслоям, составляли от нескольких до десятков нанометров, а в других направлениях – порядкамикрометра.Плазмохимическое осаждение перечисленных разновидностей углеродных пленокпроизводилось из газовой смеси водорода и метана, активированной электрическим разрядомпостоянного тока.

При этом изучалась корреляция между параметрами процесса осаждения ихарактеристиками получаемых пленок. Анализ струкурно-морфолигческих характеристикпленочных углеродных материалов производился с использованием методов оптической,зондовой и электронной микроскопии, а также с помощью спектроскопии диэлектрическихпотерь,спектроскопииоптическогопоглощения,инфракраснойспектроскопиииспектроскопии комбинационного рассеяния света.

Информативность этих стандартныханалитических методов была существенно дополнена их использованием в комбинации сметодом термогравиметрии и разработанной на его основе методикой селективноготермического окисления.Интерпретация результатов экспериментальных наблюдений проводилась с помощьюизвестных теоретических подходов, а также используя предложенные в работе новыефеноменологические модели и механизмы. На основе полученных экспериментальныхданных и эмпирических моделей была разработана численная модель, описывающаяформирование внутренней структуры и топологии поверхности поликристаллическихалмазных пленок различного типа.Актуальность темыРазнообразные углеродные материалы давно и широко используются в различныхтехнических областях и поэтому их изучению посвящено большое число исследований.

Впоследнее время особое внимание привлекают наноструктурированные формы углерода,уникальные свойства которых привлекательны как для практического использования, так и сточки зрения фундаментальных научных исследований. Данная работа посвящена изучению3процессов формирования поликристаллических углеродных пленок, в том числе в форменаноструктурованных материалов, при конденсации из газовой фазы и исследованию ихструктурно-морфологических и некоторых физических свойств.Изучение газофазного осаждения представляет самостоятельный интерес в связи стем, что разнообразные методы кристаллизации из газовой фазы получили в последнее времябурное развитие в связи с потребностями новой техники, прежде всего микро- и оптоэлектроники.

Одним из главных достоинств данной группы методов является малаяконцентрация вещества в среде, следствием чего является малая скорость роста, чтопозволяет добиться высокой степени контролируемости данного процесса. Именно этотаспект обуславливает применимость метода кристаллизации из газовой фазы для созданияразличного рода нанообъектов: полупроводниковых гетероструктур, нановолокон, вискеров ит.п., включая разнообразные наноструктурированные углеродные материалы, такие какфуллерены, нанотрубки, наноалмаз, графен и пр.

Варьирование параметров, определяющихрежим конденсации из газовой фазы, позволяет получать материалы, свойства которыхразличаются в широком диапазоне и при этом обеспечить «тонкую настройку» процесса дляполучения достаточно узкого распределения определенных параметров этих материалов.Для получения углеродных материалов в основном используется химическаякристаллизация, с помощью которой (в отличие от физической кристаллизации) оказываетсявозможнымотносительнопростымиметодамисоздатьусловия,необходимыедляформирования конденсированного вещества с заданной атомной структурой из углеродсодержащего газа.

При этом дополнительная химическая активация газообразной фазысущественно повышает эффективность процесса. Эти обстоятельства определили выборметода плазмохимического осаждения (ПХО), в ходе которого создание и активациягазообразной углерод-содержащей среды достигается в плазме тлеющего разряда в газовойсмеси водорода и метана. Аналогичные методы ПХО широко используются для полученияалмазных и наноуглеродных пленок различных видов. Однако, в виду сложной взаимосвязиразнообразных физико-химических процессов, протекающих в ходе осаждения, донастоящего времени многие проблемы, относящиеся к механизмам плазмохимическогоосаждения, остаются не достаточно понятыми. Это в свою очередь препятствуетоптимизации свойств получаемых в ходе ПХО материалов.

Прояснение деталей отдельныхстадий процесса ПХО представляет собой актуальную задачу для различных областей наукии техники, включая физику наноматериалов, физику газового разряда, кристаллографию иплазмохимию.Указанные соображения послужили основной мотивацией при формулировке целейданной работы: определение механизмов формирования углеродных пленочных материаловв ходе процесса плазмохимического осаждения, а также выявление специфических4структурно-морфологических характеристик таких материалов и их взаимосвязи спараметрами процесса осаждения.Для достижения сформулированных выше целей в работе решались следующиеконкретные задачи:- определение условий, необходимых для получения углеродных пленок с заданнымиструктурно-морфологическими характеристиками с помощью ПХО в плазме разрядапостоянного тока;- проведение исследований структурно-морфологических характеристик, получаемыхуглеродных пленок с помощью стандартных методик, а также разработка специальныхметодов исследований, направленных на выяснение специфических особенностей пленочныхуглеродных материалов;- определение корреляционных связей между режимами синтеза материалов и их струкурноморфологическими характеристиками;- построение моделей, описывающих процессы формирования различных углеродныхпленочных материалов в ходе ПХО;- экспериментальная проверка разработанных модельных представлений путем управляемогосинтеза материалов с заданными структурно-морфологическими характеристиками.Научная новизна работы состоит в:- разработаной методике селективного термического окисления угеродных пленочныхматериалов,позволяющейполучатьдетальнуюинформацииобихструктурно-морфологических характеристиках, а также создавать алмазные материалы с уникальнымихарактеристиками;- установленной зависимости структурно-морфологических характеристик пленочныхуглеродных материалов от режимов процесса их синтеза, в частности от температурыосаждения;- полученных новых данных о структуре микро- и нанокристаллических алмазных пленок ипроцессах их формирования;- предложенном новом методе массового получения монокристаллов алмаза пирамидальнойформы.Практическая ценностьРазработанные модели процессов формирования различных углеродных пленочныхматериалов в ходе плазмохимического осаждения позволяют оптимизировать процесс ихсинтеза, а также получать материалы с заданными структурно-морфологическимихарактеристиками важными для практических применений.

Также практическую ценностьпредставляетпредложенныйметодмассовогополучениямонокристалловалмаза5пирамидальной формы. Такие кристаллиты могут использоваться, в частности, в качествезондов в атомно-силовой микроскопии.Положения, выносимые на защиту:- результаты экспериментальных исследований процессов плазмохимического осажденияуглеродных пленок, их структурно-морфологических и физических свойств, а такжекорреляции между этими свойствами и параметрами процессов осаждения;-результатыэкспериментальногоисследованияпроцессовтермическогоокисленияуглеродных пленочных материалов и их взаимосвязи со свойствами пленок;- эмпирические модели и механизмы, а также численная модель, объясняющие процессыформирования и окисления углеродных пленочных материалов.АпробацияПредставленные в диссертации результаты были доложены на различных научныхконференциях и семинарах, в том числе: «Углерод: фундаментальные проблемы науки,материаловедение, технология» (2005, 2009, Москва, Россия), 4th Russian – French Workshopon Nanosciences & Nanotechnologies (2007, Autrans, France), 5th Russian – French Workshop onNanosciences & Nanotechnologies (2008, Moscow, Russia), GDR-I NANOI Annual Meeting onScience and Application of Nanotubes (2007, Autrans, France), 3rd Russian-Finnish Meeting onPhotonics and Laser Symposium (2007, Moscow, Russia), 2nd Int.

Meeting on Developments inMaterials, Processes and Applications of Nanotechnology (2008, Cambridge, UK), InternationalWorkshop on Nanocarbon Photonics and Optoelectronics (2008, Joensuu, Finland), КонкурсМолодых Ученых Секции Физикохимии нано- и супрамолекулярных систем (2008, Москва),9th International Kimberlite Conference (2009, Frankfurt), 20th European Conference on Diamond,Diamond-LikeMaterials,CarbonNanotubes,andNitrides(2009,Athens,Greece),Международный форум по нанотехнологиям (2009, Москва).ПубликацииПо материалам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 8 статей вреферируемых научных журналах, 11 тезисов докладов, представленных на российских имеждународных конференциях, подана 1 заявка на патент.

Список публикаций приводится вконце диссертации.Личный вкладОснову диссертации составляют экспериментальные исследования, большая частькоторых выполнена лично автором или при его непосредственном участии. В том числелично автором были изготовлены все исследованные в работе образцы, проведено ихэкспериментальноеисследование,разработаныипрактическиреализованыметодыселективного термического окисления.