Физические свойства углеродных наноматериалов и легированных синтетических монокристаллов алмаза (1097954)
Текст из файла
На правах рукописиБУГА СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ИЛЕГИРОВАННЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХМОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА01.04.07 - физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква -2011Работа выполнена в Федеральном Государственном УчрежденииТехнологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов(ФГУ ТИСНУМ)Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,Яковлев Евгений НиколаевичДоктор физико-математических наук, профессорГиппиус Алексей АлексеевичДоктор физико-математических наук, профессорОбразцов Александр НиколаевичВедущая организация: Институт Проблем Технологии Микроэлектроники иОсобочистых Материалов РАНЗащита состоится«29» февраля 2012 года в 15.30 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.002.01 в Московском ГосударственномУниверситете им.
М.В.Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, г. Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, д. 1, стр. 35, актовый зал ЦКПМГУС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан "___" ______ 2011 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д.501.002.01кандидат физико-математических наукТ.В. Лаптинская2Общая характеристика работыАктуальность темы. Развитие электронной техники в основномпроисходит по следующим направлениям:- расширение функциональных возможностей;- снижение энергопотребления и материалоемкости;- повышение быстродействия обработки сигналов;- повышениедолговечности, надежности, устойчивостифункционирования при воздействии неблагоприятных внешнихфакторов - высоких и низких температур, ударных и статическихмеханических нагрузок, химических и радиационных воздействий.Для решения этих задач во всем мире ведется непрерывный поискновых материалов для электронной техники, в частности новыхполупроводниковых материалов, металлических сплавов, диэлектриков,ферромагнетиков, пьезоэлектриков и т.д.
Кремний остается основнымполупроводникомвмассовойсовременнойвычислительнойэлектронике, однако в области специальной электроники для военной,космической техники, атомной энергетики, силовой электроники иоптоэлектроники широко исследуются и применяются другиематериалы, более термо- и радиационно-стойкие, более механическипрочные. К таковым относятся широкозонные полупроводниковыематериалы, как например нитриды алюминия, галлия, карбид кремния идругие. Предельными механическими характеристиками среди нихобладают кубический нитрид бора и алмаз.
В то же время, на путиминиатюризации,повышениябыстродействияинадежностифункционирования цифровой электроники активно развивается областьнаноэлектроники, связанная, в частности, с открытием и исследованиемуникальных свойств наноуглеродных материалов, таких как фуллерены,нанотрубки, графен и т.д. Углерод отличается способностьюформирования широкого спектра структур с самыми прочнымимежатомными связями, что обусловливает уникальные сочетаниямеханической прочности с температурной, радиационной и химическойстойкостью, требуемыми для практических применений. В последнеевремя приобрел широкое распространение термин "экстремальнаяэлектроника", который выделяет устройства и изделия цифровой исиловой электроники, предназначенные для использования в условияхэкстремальных внешних воздействий.Активные исследования полупроводниковых, механических идругих физических свойств наноуглеродных структур были начаты в3конце 80-х - начале 90-х годов XX столетия сразу после отработкиметодов получения этих материалов в макроскопических количествах.В частности, в 1990 г.
были разработаны методы синтеза фуллереновойсажи и экстрагирования из неефуллеренов С60, С70, высшихфуллеренов. В дальнейшем были освоены методы полученияэндофуллеренов, металлофуллеренов, широкого спектра углеродныхнанотрубокинановолокон,различныхтак-называемыхфункционализированных фуллереновых соединений, т.е. химическихсоединений фуллеренов с органическими и металлорганическимифункциональнымигруппами.Былообнаружено,чтовконденсированном состоянии фуллериты, фуллериды (соединенияфуллереновсметаллами)обладаютполупроводниковыми,сверхпроводящими, ферромагнитными свойствами. Кроме того,важным свойством фуллеренов оказалась их способность кполимеризации с образованием ковалентных межмолекулярных связейи сохранением структуры молекул. Полимеризация происходит поддействием облучения светом (фотополимеризация), электроннымпучком, а также при деформациях кристаллической решетки,обусловленных внешними механическими воздействиями, либодополнительнымвлияниемтепловоговоздействияиинтеркалированных атомов щелочных металлов.
Были обнаружены иописаны различные типы линейно- и планарно-полимеризованныхфуллеритов (1D- и 2D-полимеры, соответственно). Оставался неяснымвопрос возможности получения 3D-полимеризованных структурфуллеренов, структура и свойства таких полимеров.В последние десятилетия XX столетия значительный прогресс былдостигнут в развитии методов роста крупных (более 1 карат)синтетических монокристаллов алмаза контролируемого химическогосостава, что оказывает революционное воздействие на возможностиприменения алмаза в электронике, оптике и оптоэлектронике,экстремальной электронике.
В частности, наиболее эффективнымиметодами являются метод роста на затравке из расплава в условияхтемпературного градиента под высоким статическим давлением и методгомоэпитаксиального роста из газовой фазы. Это позволяеткардинальным образом улучшить характеристики электронных иоптоэлектронных приборов на основе алмаза по сравнению с ранеедостигнутыми на природных кристаллах и синтетических кристаллах,выращиваемых другими методами. В связи с этим необходимодетальное изучение электрических и оптоэлектронных свойств4легированных синтетических монокристаллов алмазов, выращенныхметодом температурного градиента.Цель работы. Целью работы являлось получение новыхуглеродных наноматериалов и композитов на их основе, исследованиеих физических свойств, а также исследование физических свойствлегированных синтетических монокристаллов алмазов для созданияпрототипов изделий электроники и приборостроения с расширеннымиобластями применения.
Для достижения этой цели были поставлены ирешены следующие задачи:- получение и исследование свойств фаз высокого давления фуллереновС60 и С70, получаемых в широком диапазоне давлений до 35 ГПа сприложением сдвиговых деформаций и в области температур до 2300 К;- получение слабогидрированных пленок С60 и исследование ихполимеризации и магнитных свойств;- исследование полимеризации и свойств эндофуллерена La@C82 приобработке давлением 9,5 ГПа и температурах 520-720 К;- исследование влияния легирования фуллереном С60 на электрическиесвойства сплавов Bi2Te3 и Bi0,5Sb1,5Te3;- исследование автоэмиссионных свойств автокатодов на основеуглерод-азотныхнановолоконнаграфитовойподложке,сконцентрацией азота до 13%;- исследование сверхпроводимости композиционных материалов,получаемых спеканием под давлением С60 и синтетических порошковыхалмазов со сверхпроводящими металлами, сплавами и MgB2;- исследование электрических свойств синтетических монокристалловалмазов, сильнолегированных бором в процессе роста при статическомдавлении методом температурного градиента на затравке;- ионное легирование синтетических монокристаллов алмазов типа IIa иIIb ионами бора, фосфора и мышьяка, исследование их вольт-амперныххарактеристик и спектров электролюминесценции.Для выполнения поставленных задач были разработаныспециальные экспериментальные методики и установки, а именно:- автоматизированная установка и методика регистрациираспределенияспектровфотолюминесценциипоплощадиэкспериментальных образцов в сдвиговой алмазной камере высокогодавления;- методика исследования движения вещества в алмазной камеревысокого давления при осуществлении сдвиговой деформации,основанная на компьютерном анализе изображения образцов в камере;5- методика исследования поверхности Ферми носителей заряда вполуметаллахпоизмерениямквантовыхосцилляцийакустоэлектронного тока в магнитном поле;- методика гидрирования фуллереновых пленок моноатомнымводородом в установке тлеющего электрического разряда;- методика количественной оценки соотношения sp2 иsp3межатомных связей углеродных материалах на основании РФЭСспектрометрии.Исследования проводились с использованием высокоточногоизмерительного оборудования: установок для электрических имагнитных измерений в диапазоне температур 2,4-800 К типа OxfordInstruments MagLab 2000 и LakeShore Cryotronics 70507;дифференциального сканирующего калориметра Perkin Elmer DSC-2;оптического спектрометра TRIAX HORIBA Jobin Yvon Inc.; РФЭСспектрометраPHI5500ESCA;импульсногосканирующегоакустического микроскопа WFPAM; современного аналитическогооборудования.Научная новизна.Впервые получены и исследованы метастабильные 2D- и 3Dполимеризованные фазы фуллерена С70, построена реакционная Р,Тдиаграмма синтеза в области давлений до 15ГПа и температур до 1870К.Впервые обнаружено, что неалмазная углеродная фаза, полученнаяиз фуллерена С60 при давлении 20 ГПа в условиях больших сдвиговыхдеформаций, осуществляет пластическую деформацию поверхности(001) алмазной наковальни в сдвиговой алмазной камере высокогодавления.
Предел текучести полученного из С60 нового углеродногонаноматериала превышает значение предела текучести алмаза при P>20ГПа.Впервые аналитически решена задача распределения давления втонком цилиндрическом слое (диске), сжимаемом наковальнями скруглыми плоскопараллельными площадками в условиях структурногофазового перехода в материале диска с учетом скачкообразногоизменения объема при фазовом переходе и пластического течениявещества. Показано, что активация фазового перехода в областиметастабильного состояния под воздействием сдвиговых деформацийили повышения температуры стимулирует пластическое течениевеществавобластиграницыфаз,атакжеразвиваетсамомультипликацию или демультипликацию давления в зависимости6от соотношения упругих и пластических свойств фаз и величины скачкаобъема при фазовом переходе.Впервые измерены скорости продольных и сдвиговых упругих волнв сверхтвердых и ультратвердых фуллеритах на основе С60 и С70.
Внаиболее плотных фазах фуллеритов скорости продольныхакустических волн достигают рекордно-высоких значений 21-26 км/с.Впервые обнаружено сохранение характерной полосы 730-700 нм вспектрах фотолюминесценции фуллеритов, полученных обработкой С60высоким давлением до 15 ГПа и температурой 550-1200оС, чтосвидетельствует о сохранении кластеров С60 в структуре полученныхматериалов.Впервые исследована ширина запрещенной зоны различных 3Dполимеризованных фуллеритов С60 и С70, она составляет 0,1 - 0,55 эВ.Впервые исследована деполимеризация 3D-полимеризованныхструктур С60 и С70, измерен тепловой эффект деполимеризации вдиапазоне 340-640К. Впервые измерена удельная теплоемкость вдиапазоне 240-640К полимеризованных фуллеритовых фаз, стабильныхв этом температурном диапазоне.Впервые получены слабогидрированные фуллерены С60:H,обнаружена их обратимая фотополимеризация.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
