Формирование углеродных пленок из газовой фазы

На правах рукописиЗолотухин Алексей АлександровичФОРМИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2007 г.Работа 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, профессорВ.С. Гореликкандидат физико-математических наук, с.н.с.В.Г. БабаевВедущая организация:Технологический институт сверхтвердых и новыхуглеродных материалов, г. ТроицкЗащита диссертации состоится “ 16 ”мая2007 года на заседанииспециализированного Совета Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы,конференц-зал ЦКП Физического Факультета МГУС диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “_____” _______________________ 2007 года.Ученый секретарь диссертационного советаД.501.002.01 при МГУ им. М.В.

Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцентТ.В. ЛаптинскаяОбщая характеристика работыДиссертационная работа посвящена изучению механизмов формированияуглеродных пленочных материалов из газовой фазы и включает проведениеисследований по условиям получения, всестороннему анализу структурных идругих характеристик, а также исследованию некоторых специфическихсвойств углеродных пленок. Материалы, изучению которых посвященадиссертация, включают алмазные поликристаллические и нанокристаллическиепленки, наноструктурированные мезопористые графитные пленки, а такжесверхтонкиеслоивысокоупорядоченногографитаислоиуглеродныхнанотрубок.

Перечисленные разновидности углеродных пленок получалисьосаждением из газовой фазы активированной электрическим разрядомпостоянноготока.Исследованияусловийосаждения,соответствующихформированию различных типов углеродных пленок, проводились методомоптической эмиссионной спектроскопии газоразрядной плазмы. В рамкахданной работы была проведена модернизация оборудования по осаждениюпленок и создано новое для изучения эмиссионных спектров плазмы идиагностики с их помощью процесса осаждения. Структурные исследованияпленок проводились методами электронной и атомно-силовой микроскопии,комбинационного рассеяния света, а также с помощью электронной дифракции.Специфические свойства наноструктурированных графитных пленок изучалисьметодами автоэлектронной эмиссии и комбинационного рассеяния света.Интерпретация результатов экспериментальных наблюдений проводилась спомощью известных теоретических подходов, а также на основе новыхпредложенных в работе качественных моделей и механизмов.Актуальность темы.

Получение и исследование различных свойствуглеродныхматериаловявляетсяоднимизактуальныхнаправленийсовременной науки. Наиболее структурно упорядоченные формы углерода ввиде алмаза и графита имеют ряд уникальных свойств, делающих ихнезаменимыми в электронике, электротехнике и ряде других областей.Источником такого рода кристаллических углеродных материалов служатприродные месторождения и искусственный синтез. В последнее время кроме3широко используемых форм углерода в виде алмаза и графита былиобнаружены и ранее неизвестные его формы в виде наноразмерных структурразличнойтопологии,средикоторыхнаиболееизвестнынаноалмаз,фуллерены, углеродные нанотрубки, наноконусы (нанорожки) и т.п.

структуры.Хотя в литературе встречаются указания на обнаружение этих наноуглеродныхматериалов в объектах природного происхождения, однако наиболее обычнымспособом их получения является искусственный синтез.С точки зрения практического использования в большинстве случаевуглеродные материалы требуются в виде тонких пленок, нанесенных наподложку, или в виде тонкопленочных покрытий на различных деталях,изготовленных из других материалов. Создание таких пленок возможноисключительно искусственным путем и требует разработки соответствующихметодов.

Обычно основой таких методов является осаждение углерода изгазовой фазы. Среди большого разнообразия таких методов наиболее высокийуровень структурного совершенства осаждаемого углеродного материаладостигаетсявходесопровождающихсяпроцессовхимическойгазофазногореакциейхимическогомеждуосаждения,углеродсодержащимигазообразными компонентами, в результате которой происходит синтез тогоили другого углеродного материала. Для создания условий реализации такогорода процессов газовая среда активируется тем или иным способом. Одним изнаиболее удобных способов активации газовой среды является использованиеэлектрического разряда.В настоящее время разработано несколько типов установок и технологийдля получения материалов в виде алмазных, графитных пленок, слоевуглеродных нанотрубок и других углеродных материалов с различнымиструктурными характеристиками. Однако многие детали этих процессовостаются невыясненными, что препятствует их оптимизации для полученияматериалов с заданными свойствами.

Кроме того, развитие науки и техникитребует создания материалов нового типа. Так, наряду с уже упомянутымивыше наноструктурированными формами углерода, в последнее время резковозрос интерес к изучению и использованию сверхтонких слоев графита,4состоящих из одного или нескольких атомных слоев (графенов) и имеющихвысокий уровень кристаллографического упорядочения. Используемые внастоящее время методы получения таких слоев не позволяют получатьнадежно воспроизводимые результаты, и не приемлемы для созданияпрактических технологий.Решение указанных проблем представляет актуальную задачу дляразличных областей науки и техники, включая физику наноматериалов, физикугазового разряда, кристаллографию, плазмохимию, оптическую спектроскопиюи др., различные аспекты которых требуют своего развития для определениямеханизмов процессов, приводящих к формированию углеродных пленочныхматериалов с различными свойствами, а также взаимосвязи этих свойств спараметрами используемых процессов.

Указанные соображения послужилиосновной мотивацией при формулировке цели данной работы: определениезакономерностейпроцессов,протекающихпригазофазномосажденииуглеродных пленок и разработка методов получения алмазных, графитныхпленок и слоев углеродных нанотрубок с различными структурнымихарактеристиками.В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующиеосновные задачи исследований:- разработка новых и модернизация имеющихся установок и методовсинтеза углеродных пленок различного состава и с различными структурнымихарактеристиками с помощью газофазного химического осаждения в плазмеразряда постоянного тока;- разработка методов, обеспечивающих контроль параметров процессаосажденияуглеродныхпленокспомощьюрегистрацииоптическихэмиссионных спектров плазмы;- определение корреляционных связей между различными параметрамипроцесса осаждения и свойствами получаемых углеродных пленок;- построение моделей и определение физических механизмов процессовформирования углеродных материалов с различной структурой в условияхплазмы газового разряда постоянного тока;5- получение наноструктурированных углеродных пленочных материалов сразличным соотношением алмазо- и графитоподобной фазы;- получение сверхтонких графитных пленок с высокой степеньюкристаллографическогоупорядоченияиопределениеихструктурныххарактеристик.Научная новизна результатов, полученных в результате выполненияработы состоит в следующем:- впервые получены пленки высокоупорядоченного графита нанометровойтолщины; проведено всестороннее исследование структурных характеристикэтих пленок; предложена модель их формирования, включающая в себягетероэпитакисальный рост графита на поверхности никеля, имеющейаналогичные графитумеханизмпараметрыформированиякристаллическойтопологииповерхностирешетки; предложенмонокристаллическихграфитных пленок на никелевых подложках;- разработаны методы получения углеродных пленок с различнымсоставом(алмазо-играфитоподобноготипа)иструктурнымихарактеристиками, включая поликристаллические алмазные пленки, состоящиеизкристаллитовмикронногоинанометровогоразмера,графитныенаноструктурированные пленки с ориентацией базовой кристаллографическойплоскости перпендикулярно и вдоль подложки, слои углеродных нанотрубок;- установлена взаимосвязь между составом газовой фазы и уровнем ееактивации в разряде постоянного тока с характеристиками получаемыхуглеродных пленок; показано, что графитоподобные структуры формируютсяпри наличии в газовой фазе димеров углерода;- определены оптические эмиссионные спектры газоразрядной плазмы всмеси метан-водород и их зависимость от электрических параметров разряда;предложена физическая модель, описывающая газоразрядную плазму и на ееосновесделанычисленныеоценкивеличиныэлектрическогополяуповерхности подложки.Практическая ценность работы заключается в разработке эффективныхметодов получения углеродных пленок с различными характеристиками,6определении взаимосвязи параметров процесса осаждения углеродных пленок вактивированной разрядом постоянного тока газовой смеси водорода и метана ссоставом и структурными характеристиками получаемых пленок; созданииустановки и методики для анализа состава и параметров активированнойгазовой смеси с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии;созданииметодикформированиябезкаталитическогонанокристаллическихростауглеродныхграфитныхпленокнанотрубок,иполучениясверхтонких высокоупорядоченных слоев графита.Положения, выносимые на защиту:1.

Разработаны методы получения высокоупорядоченных графитныхпленок нанометровой толщины, алмазных и графитных поликристаллическихпленок с контролируемым размером и ориентацией составляющих ихкристаллитов, а также слоев углеродных нанотрубок посредством осаждения изгазовой смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянного тока.2.Установленавзаимосвязьпараметровпроцессаосаждениясоструктурными характеристиками и составом осаждаемых углеродных пленок.Показано, что получение материала графитного типа (нанографитные пленки иуглеродные нанотрубки) происходит при наличии в плазме димеров С2.3.