Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции,

ордена Трудового Красного Знамени

Г
осударственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Тема 9

Москва

2015

Введение

Нановолокно — объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм) и существенно меньше третьего.

Под определение нановолокон попадают все нанообъекты, два характеристических размера которых (обозначим их L_x и L_y) находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм). Поскольку под волокнами, как правило, подразумеваются протяженные объекты, то два поперечных размера имеют обычно один и тот же порядок (L_x ~ L_y), а третий (обозначим его L_z), наибольший размер, может значительно превышать L_x и L_y по величине и выходить за пределы нанодиапазона:

L_z >> L_x,L_y ; L_x ~ L_y

Согласно определению международной организации по стандартизации ISO, соотношение L_x и L_y не должно превышать 3:1. При этом нанообъекты, соотношение поперечных характеристических размеров которых превышает 2:1, чаще называют нанолентами. К классу нановолокон относят такие нанообъекты, как нанотрубки, нанопроволоки, нановискеры и наностержни. Нановолокна могут быть жёсткими (наностержни) или гибкими, проводящими или не проводящими электрический ток.

Основная часть

Направленное травление и ускоренное отсоединение от подложки напряженных пленок открывают новые возможности в создании нанообъектов. Рассмотрим использование многослойных структур для изготовления плотных массивов нановолокон. Для практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике и материаловедении необходимы нановолокна не только из полимеров, но и из полупроводников и металлов. Нановолокна из твердых тел привлекательны, прежде всего, целым рядом важных для практики свойств: высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами, термостойкостью, прочностью. В отличие от традиционных методов производства полимерных нановолокон путем использования растворов полимеров и синтеза с использованием катализаторов мы предлагаем использовать ультра тонкие пленки. Получить нановолокна можно двумя принципиально разными способами. Первый способ предполагает наноструктурирование выращеной тонкой пленки с помощью электронной или механической литографии и ее последующее отсоединение в селективном травителе. Второй, предполагает выращивание, с помощью селективной эпитаксии, массива тонкопленочных нанополосок и их последующее отсоединение от подложки.

Рис. 1. Изображения полученные на сканирующем электронном микроскопе. Нановолокна образованны разрезанием тонкой бипленки Si/SiGe (15 nm /5 nm) с помощью электронной литографии

Первый способ формирования полупроводниковых нановолокон иллюстрируется на рис. 1. В верхней части схематично приведен литографический рисунок, выполненный на тонкопленочной структуре. В нижней части демонстрируется электронно-микроскопическое изображение полученных нановолокон. Обратим внимание на то, что данные волокна проявляют гибкость и прочность. На последнем этапе изготовления была применена сушка на воздухе, при этом действие капиллярных сил не разрушило волокна, а только несколько перемешало их.

Рис. 2. Si/SiGe (15nm/5nm) нановолокно, созданное с помощью механической литографии

На рис. 2 показан пример одиночного нановолокна, Si/SiGe (15 нм/5 нм) нановолокно, созданное с помощью механической литографии. Экспериментальные попытки сломать, при помощи изгиба, это волокно не дали результатов. Представленные на рис. 1, 2 нановолокна получены из одиночной би-пленки. В действительности можно использовать многослойные пленки, содержащие до 300 би-слоев с компенсированными напряжениями (чередующиеся сжатые и растянутые слои), что позволит создать плотный массив волокон (рис. 3). Помещая плотный массив таких трубок в полимер, мы можем получить новый композитный материал.

Рис. 3. Схематично показано формирование массива нановолокон. Процесс включает в себя литографическое структуирование многослойной структуры и, происходящие под действием упругих сил, отсоединение и изгиб нанополосок.

Выше мы рассматривали формирование трубок, колец, волокон не заостряя внимание на анизотропных свойствах кристаллов. В действительности в монокристаллах можно условно выделить «мягкие» и «жесткие» направления, для которых, соответственно, модуль Юнга (Е) имеет большую E_max и меньшую E_min величину. В кубических кристаллах механические свойства на плоскости (111) практически изотропны. Анизотропия модуля Юнга возрастает в пленках, выращенных на поверхностях (100) (для GaAs E_max/E_min = 1,4) или (110) (для GaAs E_max/E_min = 1,65). Даже такая незначительная анизотропия модуля Юнга на поверхности уже приводит к зависимости формы оболочек от ориентации исходной меза-структуры. Физической причиной этого является то, что устойчивую форму оболочка приобретает при условии минимума ее упругой энергии. Минимум упругой энергии в анизотропной пленке зависит от направления, вдоль которого формируется оболочка. Наши экспериментальные результаты свидетельствуют, о том, что узкая полоска, ориентированная вдоль «мягкого» направления сворачивается в кольцо, а такая же полоска, ориентированная под углом сворачивается в спираль рис. 4 а, причем шаг спирали линейно зависит от угла отклонения от «мягкого» направления.

а) б) в) г)

Рис. 4.

а) схематичное изображение формирования спиралей из напряженных бислойных полосок, ориентированных вдоль «жесткого» направления;

б) SiGe/Si-полоска частично свернута в спираль;

в) InGaAs/GaAs микроспираль;

г) широкая полоса, свернутая в трехвитковую винтовую трубку.

Рис. 5. Спиралеобразные SiGe/Si волокна.

a) деформированные и залипшие под действием капиллярных сил волокна (обычная сушка), волокна чрезвычайно гибкие, поэтому не разрушились;

б) сегмент InGaAs/GaAs спиралеобразных волокон, полученных без деформации в результате сушки в суперкритическом CO2,

Анизотропия механических свойств пленок определяет также хиральность сворачиваемых трубок рис. 4 г. Трубки, сворачиваемые на плоскости (100) в направлении («мягкое» направление), не имеют хиральности (направление сворачиваемой плоскости перпендикулярно оси трубки). Такие трубки прочные, направления атомных плоскостей совпадают во всех слоях многовитковой трубки, в результате чего происходит сращивание g слоев, образующих стенку. Если направление сворачиваемой плоскости не перпендикулярно оси трубки, формируется геликоидальная трубка. Такие трубки менее прочные, так как сращивание неполное. Очевидно, что хиральность трубок влияет и на другие физические свойства трубок – оптические, электрические, пьезоэлектрические и т.д. Экспериментально мы наблюдали, что в диаметре геликоидальные трубки больше (до 30%), по сравнению с трубками, сворачиваемыми вдоль «мягких» направлений. Примеры расчета формы оболочек, сформированных из анизотропных пленок, приведены в работе. Рис. 5 иллюстрирует гибкость и прочность спиралеобразных волокон. В верхней части фотографии изображены деформированные и залипшие под действием капиллярных сил спиралеобразные волокна (обычная сушка), волокна чрезвычайно гибкие, поэтому не разрушились. В нижней части риc. 5 - сегмент InGaAs/GaAs спиралеобразных волокон, полученных без деформации в результате сушки в суперкритическом CO₂. Данная фотография иллюстрирует высокую периодичность спирали. Минимальный диаметр изготовленной нами InGaAs/GaAs наноспирали составлял 7 нм.

Выше был дан качественный анализ эффектов, вызываемых анизотропией. В действительности механические свойства кубических кристаллов, к которым принадлежат полупроводники арсенид галлия, германий и т.д. описываются тензором четвертого ранга.

Пространственное расположение атомов в кристалле приводит не только к анизотропии механических свойств, но и к анизотропии химических свойств, что также было использовано для формирования наноструктур. Например, плотно упакованные грани (111) в большинстве травителей травятся значительно медленней, чем другие грани. В нашей технологии мы используем анизотропию жидкостного травления. При изготовлении прецизионных нанооболочек мы с помощью анизотропного травления формировали нужные нам границы и окна, обладающие гладкими и ровными поверхностями.

Рис. 6. схематично изображена многослойная GaAs/AlGaAs/GaAs/AlGaAs гетероструктура с V-канавками. Боковые стенки канавок содержат полоски GaAs, разделенные полосками AlGaAs. В таких структурах возможна эпитаксия только на полоски GaAs.

Второй способ, за которым, несомненно, будущее, основан на селективной эпитаксии, позволяет изготовлять прецизионные волокна. В качестве исходных высокоточных строительных блоков используются, прецизионные тонкопленочные полоски, выращенные на боковых гранях многослойной структуры (см. рис. 6). Ранее мы показали, что ширина выращенных полосок может достигать наноразмеров и задаваться с высочайшей точностью. Важно, что данный метод можно применить для массового изготовления прецизионных нановолокон. Один из вариантов – использовать периодически профилированные многослойные структуры (например, массив V канавок).

Для целого ряда практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике необходимы нановолокна из металлов. Металлы привлекательны, прежде всего, высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами. Для создания металлических и нанотрубок и нановолокон по вышеописанному методу необходимо изготовить металлическую бипленку, содержащую сжатые и растянутые слои, а также предусмотреть возможность отсоединения ее от подложки, используя жертвенный слой. Для создания нановолокон мы ориентируемся на дешевый стандартный способ – напыление металлических пленок на подложки большой площади. Известно, что тонкие металлические пленки могут быть созданы либо сжатыми, либо растянутыми. Причем величину и знак внутренних напряжений можно задавать во время напыления. Большинство тугоплавких материалов, таких как золото, никель, хром, медь, вольфрам, железо при напылении в чистых условиях на холодную подложку образуют напряженные растянутые пленки. Присутствие примесей при напылении приводит к формированию сжатых пленок. Например, никелевые и титановые пленки, напыляемые в вакуумной системе в присутствии кислорода или водорода, являются напряженно-сжатыми. Многообразие металлов с различными химическими свойствами позволяет обеспечить и процесс отсоединения бипленки от подложки, оптимально выбирая материал для жертвенного слоя (травитель жертвенного слоя не должен взаимодействовать с материалом бипленки). Следует заметить, что особых требований к материалу подложки не предъявляется, а одну и ту же подложку можно многократно использовать.

Толщина и ширина, полученного Si/Ge/Si нановолокна соответственно 20 nm и 100 nm, а длина составляет около 200 мкм. Это результат нановолокна, полученного из одной пленки, а современная эпитаксия позволяет на подложке выращивать тысячи слоев, что позволяет массово изготовлять нановолокона из полупроводника или металла длиной сравнимой с диаметром подложки. В настоящее время диаметр подложек достигает 30 см. Таким образом, на одной пластине можно получить 109 нановолокон длиной 30 см. В ближайшее время будут создаваться подложки существенно большего диаметра. Если такую пленку разрезать на непрерывное тонкое нановолокно размером 1 нм, то длина этого волокна будет сравнима с длиной окружности Земли.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов реферата