Получение и свойства графитных пленок нанометровой толщины

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАНа правах рукописиТюрнина Анастасия ВасильевнаПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ГРАФИТНЫХ ПЛЕНОК НАНОМЕТРОВОЙТОЛЩИНЫСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква - 20101Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорА.Н.

ОбразцовОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.К. Неволинкандидат физико-математических наук, с.н.с.А.В. ОсадчийВедущая организация:Московский физико-технический институтЗащита диссертации состоится “_6_” _октября_ 2010 года на заседанииспециализированного Совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр.2,Физический факультет МГУ, Южная физическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “_30__” _августа_ 2010 года.Ученый секретарь диссертационного советаД.501.002.01 при МГУ им.

М.В. Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцентТ.В. Лаптинская2Общая характеристика работыДиссертационнаяработапосвященаэкспериментальномуисследованию графитных пленок нанометровой толщины и включаетразработку методов получения таких пленок, а также анализ ихструктурных, оптических и электрических характеристик. В качествеосновного метода получения пленок использовалась методикаплазмохимического осаждения углерода из газовой смеси водорода иметана, активированной разрядом постоянного тока.

В ходе работ былаопределена зависимость состава, структурных характеристик и физическихсвойств углеродных пленочных материалов от параметров процессаосаждения. Были определены условия, обеспечивающие формированиеграфитных пленок, состоящих из пластинчатых кристаллитовнанометровой толщины с преимущественной ориентацией их базовыхплоскостей перпендикулярно поверхности подложки, и квазимонокристаллических слоев графита с базовыми плоскостямипараллельными подложке. Структурные характеристики полученныхматериаловбылиустановленыспомощьюспектроскопиикомбинационного рассеяния света (КРС) в сочетании с анализом методамиэлектронной и зондовой микроскопии. Были определены некоторыеоптические и электрофизические характеристики пленок.

Разработаныметоды перенесения графитных пленок нанометровой толщины надиэлектрические подложки. Продемонстрирована возможность созданияполевых нанотранзисторов на основе полученных нанографитных пленок.Актуальность темы. Получение нано-углеродных материалов иисследование их свойств является одним из актуальных направленийсовременной науки.

Материалы этого типа были открыты сравнительнонедавно и представляют собой аллотропные формы углерода, для которыххотя бы один из линейных размеров составляет несколько нанометров.Уникальные механические свойства, высокая стабильность и химическаяинертность, необычные электронные и оптические свойства наноуглеродных материалов представляют не только фундаментальныйнаучный, но и значительный практический интерес.

В последнее времяособый интерес привлекает исследование графена, представляющего собоймонослой атомов углерода, объединенных в гексагональную сетку. Такиемоноатомные слои являются базисным структурным элементом для всехграфитоподобных материалов, включая и их наноструктурированныеформы. Кроме этого графен является уникальным примеромтермодинамически стабильного двумерного кристалла, проявляющегонеобычные и крайне привлекательные для практического использованияфизические свойства. Однако изучение и применение графенасущественно затруднено отсутствием эффективных методов егоизготовления.

Эти обстоятельства обусловили формулировку основныхцелей и задач настоящей диссертационной работы.Целью работы были разработка научных основ технологииполучения квазимонокристаллических графитных плёнок нанометровой3толщины, состоящих из нескольких (вплоть до одного) слоев графена, наоснове метода плазмохимического осаждения, проведение исследованиясвойств полученных пленочных углеродных материалов и демонстрациявозможныхобластейпрактическогопримененияполученныхнанографитных пленок.В соответствии с поставленной целью были сформулированыследующие задачи исследований: установление корреляционных связеймежду параметрами плазмохимического процесса осаждения и свойствамиполучаемых с его помощью углеродных пленок; определение условий,требуемых для получения графитных пленок; изготовление необходимогоколичества образцов графитных пленок; изучение их структурных,морфологических характеристик и состава, в том числе и путемсравнительного анализа различных графитных материалов; разработкаметодов получения свободных (без подложек) нанографитных плёнок ипереосаждение их на подложки с заданными свойствами; создание иизучение приборных структур на основе изготовленных графитных пленокнанометровой толщины.Научная новизна результатов:− показанавозможностьполученияквазимонокристаллическихграфитных плёнок нанометровой толщины, обладающих высокойстепенью кристаллографического совершенства и свойствами,обусловленными наноразмерностью данного материала;− обнаружен ряд специфических топологических особенностейграфитных пленок нанометровой толщины; предложены механизмы,объясняющие их формирование; обнаружено явление спонтанногорасщепления графитной плёнки на фрагменты, содержащие один илинесколько атомных слоев графена;− разработана новая методика получения нанографитных плёнок всвободном состоянии и методика переноса тонких графитных пленокна подложки с требуемыми характеристиками;− впервыепроведеносистематическоеисследование КРСвнаноструктурированных графитных пленках, полученных осаждениемиз газовой фазы; показано, что экспериментально наблюдаемыезакономерности поведения спектров комбинационного рассеяния вэтих материалах соответствуют модели двойного резонанса;− обнаружен эффект поля в тонких графитных плёнках, полученныхметодом плазмохимического осаждения; на основе таких плёнок создани исследован экспериментальный прототип полевого транзистора;показано, что графеновые слои, полученные из синтезированныхнанографитных пленок, имеют высокую подвижность носителей зарядаи позволяют получить амбиполярные характеристики полевыхтранзисторов,изготовленныхнаихоснове,аналогичныехарактеристикам для высокоупорядоченных графеновых слоев,получаемым другими методами.4Практическаяценностьработы.Полученныеданныеозакономерностях процесса плазмохимического осаждения могутиспользоваться для разработки практических методов полученияуглеродных пленок с различными структурными характеристиками ифизическими свойствами, в том числе квазимонокристаллическихграфитных пленок нанометровой толщины и большой площади.Разработанные в работе практические методы получения графитныхпленок нанометровой толщины с площадью в несколько квадратныхсантиметров, а также методы отделения пленок от подложек и переноса наподложки с требуемыми параметрами, позволяют использовать их как внаучных исследовательских целях, так и для изготовления различныхприборов и устройств.

Показано, что полученные графитные пленкиимеют свойства, позволяющие создание на их основе электронныхприборов с уникальными характеристиками.Положения, выносимые на защиту:− метод получения графитных пленок нанометровой толщины спомощью плазмохимического осаждения из газовой смеси водорода иметана, активированной разрядом постоянного тока;− физические модели, объясняющие механизмы формированияграфитных пленок нанометровой толщины и их топологическихособенностей;− показано, что КРС в графитных кристаллитах и пленках нанометровойтолщины подчиняется закономерностям, соответствующим механизмудвойного резонанса; показано, что при изменении длины волнывозбуждающего излучения эффективность КРС второго порядка ввысокоупорядоченных графитных пленках возрастает с ростомплотности соответствующих фононных состояний;− методики отделения графитных плёнок от подложек, на которых онибыли получены, а также методики переноса графитных пленок надругие подложки с заданными характеристиками;− показано, что в графитных пленках нанометровой толщиныпроявляется эффект поля; экспериментально продемонстрированавозможность использования графитных пленок нанометровой толщиныдля изготовления полевых нанотранзисторов.Апробация работы.