Получение и свойства графитных пленок нанометровой толщины, страница 2

Представленные в диссертации результаты былидоложены на различных научных конференциях и семинарах, в том числе:4-й международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемынауки, материаловедение, технология», 2005, 2009 - Москва; Int. Conf. onModern Materials and Тechnologies CIMTEC 2006 - Acireale (Italy); IX OpticsDays KUOPIO TECHNOPOLIS 2008 – Kuopio (Finland); InternationalWorkshop "Nanocarbon Photonics and Optoelectronics", 2008 – Polvijärvi(Finland), 2010 – Koli (Finland); MPA-2008: 2-nd International Meeting onDevelopments in Materials, Processes and Applications of Nanotechnology;2008 - University of Cambridge (UK); Конференция молодых ученых5"Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем, 2008 – Москва; BadenWürttemberg-Days in Moscow, Science Forum on Nanotechnology, 2009 –Moscow; 20-th Anniversary Symposium MRS-J in Yokohama, Japan 2009.Публикации.

По материалам исследований, представленных вдиссертации, опубликовано 8 статей в реферируемых научных журналах.Список статей приводится в конце автореферата.Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, полученылично соискателем или при его непосредственном участии. Постановказадач исследований, определение методов их решения и интерпретациярезультатов выполнены совместно с соавторами опубликованных работпри непосредственном участии соискателя.Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения. Общий объём работы 152 страницы.Диссертация содержит 62 рисунка, 6 таблиц и список цитируемойлитературы из 139 наименований.Содержание работы.Введение посвящено обоснованию актуальности выбранной темыдиссертации, формулированию основных целей работы, указаны еенаучная новизна и практическая ценность, перечислены основныеположения, выносимые на защиту.Первая глава содержит анализ имеющихся литературных данных потематике исследования.

Представлены основные сведения относительноизвестныхаллотропныхмодификацийуглеродногоматериала.Рассматриваются их атомное строение, структурно-морфологическиеособенности, а также особенности спектров КРС для каждого типауглеродного материала. При этом особое внимание уделяется открытойсравнительно недавно новой наноуглеродной структуре – графену,представляющему собой моноатомный слой углерода.

Графен являетсяуникальным примером термодинамически стабильного двумерногокристалла, проявляющего необычные и крайне привлекательные дляпрактического использования физические свойства. Обнаруженныеэффекты представляют огромное значение с фундаментальной научнойточки зрения, а также для создания на их основе разнообразных приборови устройств.

Практическое использование потенциальных возможностей,связанных с графеном, определяется разработкой эффективных ивоспроизводимых методов его получения, обеспечивающих достаточнохорошее кристаллографическое совершенство, большую площадьмонокристаллических областей и другие необходимые характеристики.В данной главе перечислены основные известные методы полученияграфена и указаны имеющиеся наиболее существенные недостаткикаждого из них. Рассматриваются особенности различных методикисследования, а также возможные области применения графена.

Одно извозможных приложений графена обусловлено тем, что его носители заряда(электроны или дырки) обладают нулевой эффективной массой, и их6скорость не связана с энергией, а длина свободного пробега можетдостигать значительных величин. Такой баллистический транспортэлектронов вдоль слоя атомов приводит к возможности наблюдения целогоряда квантово-механических эффектов. Баллистическое движениеэлектронов имеет взаимосвязь с высокой подвижностью носителей заряда,которая даже при комнатных температурах в 10-20 раз выше, чем варсениде галлия.

Это важное свойство открывает новые перспективы всоздании на основе графена более быстрых электронных приборов.Привлекательными также являются механические свойства графена.Он может упруго растягиваться вплоть до 20% - больше, чем какой-либоиной кристалл. Так графеновая мембрана толщиной всего в один атомуглерода оказывается достаточно прочной для того, чтобы выдерживатьдавление газа в несколько атмосфер. Такие мембраны могут иметь самыеразнообразные применения — например, использоваться для изучениябиологических материалов, помещенных в раствор.

Кроме того, графенможет удерживать отдельные атомы или даже целые комплексы атомов(молекулы и т.п.), что может использоваться при их наблюдении впросвечивающей электронной микроскопии.Очень большой интерес с практической точки зрения привлекают иоптические свойства графена, а именно его способность пропускать до98% света в широком диапазоне длин волн, что значительно превышаетпоказатели (82-85%) покрытий из оксида индия-олова (ITO), которыешироко применяются в настоящее время в качестве прозрачныхэлектродов.

У графена, помимо более высокой прозрачности иэлектропроводности, есть и другие преимущества перед оксидом индия:графен химически инертен и стабилен; имеет высокую механическуюгибкость; позволяет получить большую степень прозрачности; может бытьотносительно недорогим в массовом производстве. Возможно, прозрачныеэлектроды станут первой областью применения графена, где он заменитпокрытия из ITO, которые часто применяются для создания прозрачныхэлектродов в плоских дисплеях, сенсорных экранов и солнечных батарей.Реализация потенциальных возможностей графена определяетсяустранением имеющихся недостатков методов его получения,ограничивающихвнедрениеэтогоуникальногоматериалавпромышленное производство.

Поэтому поиск и разработка новых методовполучения графена и тонких плёнок, состоящих из нескольких атомныхслоёв графита, является одной из актуальных задач современныхисследований в областях, связанных с физикой конденсированногосостояния вещества, электроники, наноматериалов и нанотехнологий.Втораяглавадиссертациипосвященаописаниюэкспериментальных методик, использованных в работе для полученияграфитных плёнок нанометровой толщины и исследования их структурноморфологических, оптических и электрических характеристик. Кромеэтого описаны использовавшиеся в работе аналитические методыисследования (КРС, оптическая, зондовая, электронная микроскопия,7электрофизические измерения) и особенности их применения дляисследования различных углеродных материалов.а1б1в1а2б2в2Рис.

1 РЭМ изображения углеродных плёнок различной морфологии ссоответствующими спектрами КРС: а1 – образец поликристаллическогографита, б1 – поликристаллический текстурированный алмаз, в1 –наноалмазная плёнка; а2, б2, в2 – спектры КРС соответствующихуглеродных материалов.В первом параграфе представлено описание установки и методаполучения углеродных плёнок с различным содержанием алмазной играфитной фазы, степенью кристаллографического совершенства иориентацией кристаллитов на подложке.

Все плёнки, в том числеквазимонокристаллические графитные нанометровой толщины, былисинтезированы методом плазмохимического осаждения углерода изгазовой смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянноготока при различных параметрах осаждения. В число основных параметров,влияющих на характеристики получаемого материала, входят давление,скорость подачи и состав газовой смеси, электрические характеристикиразряда, используемого для активации газовой смеси, температураподложки, конфигурация электродов и т.д.

Наиболее сильное влияние наформирующийся углеродный материал оказывают тип материала итемпература подложки, а также концентрация углеродсодержащейкомпоненты (метана) в газовой смеси, изменяя которые, можно получитьполикристаллические алмазные пленки, нанокристаллические алмазныеплёнки, мезопористые и квазимонокристаллические плёнки графита, в томчисле и пленки, состоящие всего из нескольких слоёв графена, а также8пленки, представляющие собой массив нанотрубок. РЭМ изображениянекоторых из разновидностей получаемых углеродных образцовприведены на рис. 1. Результаты РЭМ исследований свидетельствуют омногообразии структурно-морфологических особенностей образцовуглеродных пленок, синтезированных при различных условиях процессаосаждения.