Физические свойства углеродных наноматериалов и легированных синтетических монокристаллов алмаза (1097954), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В отличие от исходногодиамагнитногоС60,некоторыеструктурыС60:Нявляютсяпарамагнитными.Впервые обнаружена полимеризация эндофуллерена La@C82 поддавлением 9,5 ГПа при Т = 520-720 К с изменением плотности от 1,84до 2,67 г/см3 и твердостью плотной фазы 305 ГПа. Концентрациянеспаренных электронов по сравнению с исходным La@C82 выше на15%.Впервые исследован легирующий эффект фуллерена С60 привведениивнаноструктурированныетермоэлектрическиеполупроводники Bi2Te3 ; Bi0,5Sb1,5Te3 и обнаружен эффект резонансныхконцентраций С60, при которых в несколько разувеличиваетсяконцентрация дырок в соединениях р-типа проводимости иуменьшается концентрация электронов в соединениях n-типа. При этихже значениях концентрации обнаружены и локальные минимумыХолловской подвижности носителей заряда. Данный эффект приводит крезонансному снижению проводимости сплава n-типа, и наоборот, крезонансному увеличению проводимости сплава p-типа, чтосущественно влияет на добротность (коэффициент качества)термоэлектрических сплавов.7Впервые обнаружены и исследованы магнитные квантовыеосцилляции акустоэлектронного тока в слоистой структуре Bi0,99Sb0,01LiNbO3.
Впервые получена и исследована метастабильная принормальных условиях фаза высокого давления сплава Bi0,4Sb1,6Te3 сэлектронной проводимостью.Впервые разработаны и изготовлены автоэмиссионные катоды изуглерод-азотных нановолокон на графитовой основе, обнаруженанизкая величина порогового значения напряженности электрическогополя эмиссии около 1,2 В/мкм и достигнута рабочая плотностьэмиссионного тока 1 мА/см2, достаточная для использования катодов вэлектролюминесцентных лампах.Впервые изготовлены и исследованы новые сверхтвердыесверхпроводящие композиционные материалы на основе фуллерена С60,порошковых синтетических алмазов, сверхпроводника MgB2 исверхпроводящих металлов и сплавов. Критическая температурасверхпроводящего перехода различных композитов составляет 12,6-39,2К при твердости 25-95 ГПа.В диапазоне 77-800 К определен температурный коэффициентсопротивления (ТКС) миниатюрных терморезисторов, изготовленныхиз легированных бором синтетических монокристаллов алмазов сразличной концентрацией бора.
Величина ТКС составляет 0,001-0,1%,что обеспечивает чувствительность к изменению температуры 10-4 -10-2К при минимальном времени отклика около 100 мкс.Впервые методом ионной имплантации бора, фосфора и мышьякав синтетические монокристаллы алмазов типа IIb и IIa изготовлены p-nпереходы и p-i-n структуры на основе алмаза. Исследованы их вольтамперные характеристики и спектры электролюминесценции.
Вспектрах электролюминесценции при прямом прохождении токанаблюдаются характерные полосы рекомбинации экситонов в области238 нм, а при плотности тока более 100 А/см2 впервые наблюдалисьполосы суперлюминесценции на длинах волн 325 и 340 нм.Работа выполнена по плану НИР ФГУ ТИСНУМ всоответствии с Государственными контрактами №№ 02.435-11-2006;02.513.12.3061;02.513.12.3086;02.531.11.9005;02.740.11.0105;02.740.110792 (Заказчик Минобрнауки); №1195, №11/2001 (ЗаказчикМО РФ); № 783-0623/09 (Заказчик Роскосмос), по проектам РФФИ№96-02-1801; №99-02-17578, Российского фонда интеллектуальногосотрудничества №95076, № 98088; Шведской Королевской Академии8Наук, ИНТАС №00-237; 6-ой рамочной программы Евросоюза FP6№12881.Практическая значимость работы.
Результаты работы имеютбольшоепрактическоезначение.Материалыэкстремальнойэлектроники требуются во многих областях человеческой деятельности:для контроля технологических процессов в атомной энергетике, врадиационной химии, в современных ускорителях заряженных частиц, вракетно-космической технике, в геологоразведке, нефте- и газодобыче,в оборонной отрасли и других. Известно, что углеродные материалы,такие как алмаз и графит, в наибольшей степени удовлетворяют этимтребованиям. Новые углеродные материалы, такие как фуллерены инанотрубки и производные на их основе, получаемые обработкойдавлением, сдвиговыми деформациями и высокими температурами,расширяют спектр возможных материалов электроники.Показано, что 3D-полимеры С60 и С70 представляют собой новыйкласс сверхтвердых и ультратвердых полупроводниковых материалов сэнергией активации носителей заряда в диапазоне 0,05-0,3 эВ.Скорости продольных акустических волн в них достигают величины на30-40% большей чем у алмаза, что перспективно с точки зренияразработки новых акустоэлектронных устройств.
Разработанатехнология производства ультратвердых фуллеритов и наноинденторовиз них для атомно-силовых зондовых микроскопов-твердомеров.Полимеризованные эндофуллерены типа M@C82, где М - атомметалла, могут послужить основой для разработки устройств храненияинформации с рекордно-высоким значениями плотности записи. Напримере La@C82 показано, что в процессе 3D-полимеризации ячеистаяструктура молекул с энкапсулированными атомами металлов ненарушается.Показано,чтолегированиенаноструктурированныхтермоэлектрических сплавов фуллереном С60 приводит к значительномуизменению концентрации носителей заряда в них и как следствие - кизменению электрической проводимости. Этот способ легированияпозволяет увеличивать добротность и коэффициент полезного действиятермоэлектриков.Автокатоды на основе углерод-азотных нановолоконсплотностью автоэмиссионного тока порядка 1 мА/см2 применены вэлектролюминесцентных лампах зеленого, синего, красного, белогоцвета и ультрафиолетового диапазона, работоспособных в широкомдиапазоне температур (-196) -(+150)оС.9Сверхтвердые сверхпроводящие композиционные материалы наоснове фуллерена С60, порошковых синтетических алмазов,сверхпроводника MgB2, сверхпроводящих металлов и сплавовнеобходимы для применений в электромеханических узлах криогеннойтехники, а также в исследовательской технике высоких давлений дляэлектрических измерений при низких температурах.Легированные бором монокристаллы алмаза представляют собойполупроводник р-типа с энергией активации акцепторов в диапазоне от0 до 0,37 эВ в зависимости от концентрации бора.
Обнаружено, чтопереход от нормального активационного типа проводимости кпрыжковому в синтетических монокристаллах, выращенных методомтемпературного градиента, происходит при концентрации бора около1019 см-3, а вырождение происходит при концентрации около 1020 см-3.Эти данные необходимы для разработки пассивных и активныхэлектронных устройств на основе синтетических монокристалловалмазов.Быстродействующие миниатюрные терморезисторы на основемонокристалловалмазаобладаютвысокимтемпературнымкоэффициентом сопротивления и широким температурным диапазономфункционирования в условиях неблагоприятных факторов, таких какударные нагрузки, радиационное облучение и т.п.
Поэтому они могутбыть успешно использованы в технологических процессах атомнойэнергетики, радиационной химии, в ракетно-космической и обороннойтехнике.ВрамкахГосконтракта«Проведениенаучноисследовательских и опытно-конструкторских работ, разработкатехнологий и организация промышленного производства изделий измонокристаллических сверхтвердых материалов для приборостроения иинструментальнойпромышленности»разработанатехнологияпроизводства таких терморезисторов.Полупроводниковые светодиоды и лазеры УФ-диапазонанеобходимы для приложений в системах телекоммуникаций имедицине.
В настоящее время активно разрабатываются источники УФизлучения на широкозонных полупроводниках AlGaN, SiC и алмазе. Вданной работе методом ионной имплантации изготовленысветоизлучающие p-n и pin-диоды на основе синтетическихмонокристаллов алмазов, работоспособные при повышенныхтемпературах 200-3000С.
Они являются прототипами для разработкиприборов практического назначения.10Основные положения, выносимые на защиту:1. Разработана, изготовлена и применена автоматизированнаяоптическая установка с уникальной сдвиговой алмазной камерой высокогодавления для исследования распределения спектров фотолюминесценции,давления и движения вещества в тонких дисках, сжимаемых алмазныминаковальнями.
Аналитически решена задача распределения давления втонкомцилиндрическомслое(диске),сжимаемомплоскопараллельными наковальнями в условиях структурного фазовогоперехода в материале диска с учетом изменения объема при фазовомпереходе и пластического течения вещества. Предел текучести фазывысокого давления фуллерита С60 в сдвиговой алмазной камере приP>20 ГПа выше предела текучести алмаза.2. Получены и исследованы метастабильные 2D- и 3D-полимеризованные фазы фуллерена С70, построена реакционная Р,Т-диаграмма синтезав области давлений до 15 ГПа и температур до 1870К. Скоростипродольных упругих волн в сверхтвердых и ультратвердых фуллеритахна основе С60 и С70 варьируются в диапазоне 8,626 км/с, сдвиговых - вдиапазоне 6.812.0 км/с, удельный вес - в диапазоне 2.23.3 г см-3 взависимости от структуры материала.
Разупорядоченные 3Dполимеризованные структуры С60 и С70 стабильны в области температурдо 640 К. В спектрах фотолюминесценции полимеризованныхфуллеритов С60 сохраняется характерная для молекул фуллерена полоса =700 нм. В зависимости от конкретной структуры, энергия активацииносителей заряда в полупроводниковых фуллеритах составляет 0,05 0,3 эВ при Т = 300 К. Молекулы С60 выступают в качестве акцептора до6 электронов в композиционных наноструктурированных термоэлектрических сплавах, за счет чего повышается термоэлектрическаяэффективность сплавов р-типа.3.
Разработана методика получения слабогидрированного фуллеренаС60:Н. Как и исходный С60, С60:Н полимеризуется, но в отличие отдиамагнитного С60, некоторые структуры С60:Н парамагнитные.4. Эндофуллерен La@C82 полимеризуется под давлением собразованием димеров и 3D-полимеров. Микротвердость 3D-полимераравна 30 5 ГПа.
Концентрация неспаренных электронов вполимеризованной фазе на 15% больше по сравнению с исходнымLa@C82 .5. Разработаны, изготовлены и исследованы автоэмиссионные катоды изуглерод-азотныхнановолокон.Автокатодыпримененыв11электролюминесцентных лампах, работоспособных в диапазонетемператур (-196) (+150)оС.6. Изготовлены и исследованы сверхтвердые сверхпроводящиекомпозиционные материалы на основе фуллерена С60, порошковыхсинтетических алмазов и сверхпроводящих металлов и сплавов скритической температурой сверхпроводящего перехода 12,6-39,2 К притвердости 25-95 ГПа.7.
Применение легированных бором синтетических монокристалловалмазов типа IIb в полупроводниковых термометрах сопротивленияобеспечивает чувствительность к изменению температуры 10-4 -10-2 К вдиапазоне 77 - 800 К при минимальном времени отклика ~100 мкс.8. Изготовлены и исследованы УФ-светодиоды на основе синтетическихмонокристаллов алмазов имплантированных ионами бора, фосфора имышьяка. В спектрах электролюминесценции присутствуют полосырекомбинации экситонов в области 238 нм. При плотности тока более60 А/см2 возникают полосы суперлюминесценции на длинах волн 325 и340 нм.Апробация работы. Основные результаты работы былипредставлены на более чем 60 международных конференциях, в томчисле:- "Фуллерены и атомные кластеры" (С.-Петербург, 1994, 1995, 1996,1997, 1999, 2001, 2009 гг.),- на конференциях по физике высоких давлений - Киев, 1991; Баку,1992; Белфаст (Великобритания), 1993; Брно (Чехия) 1994; Варшава(Польша), 1995; Монпелье (Франция), 1997; Киото (Япония), 1998;Катанья (Италия) 1999; Прингри-Парк (США), 2001;Уппсала (Швеция),2010;- конференция Европейского Физического Общества, Севилья,(Испания), 1994; "Фуллерены", Оксфорд, (Великобритания), 1996;Токио (Япония), 2001; "Исследования материалов" Страсбург(Франция), 1997; "Carbon", Ньюкастл (Великобритания), 1996 г.;Страсбург (Франция), 1998 г.; "Синтетические металлы", Монпелье,(Франция), 1998; Гальштейн (Австрия), 2001;- "Электронные свойства новых материалов - наука и технологиямолекулярных наноструктур", Киршберг (Австрия), 1996, 1997, 1998,1999, 2000 ;- 5-я Международная конференция по перспективным материалам,Пекин (КНР), 1999; Международная конференция по инженерным итехнологическим наукам, Пекин (КНР), 2000;12- "Физика плазмы и плазменные технологии", Минск (Беларусь) 2003;- "Инновационные сверхтвердые материалы и прочные покрытия", Киев(Украина), 2004; "Взаимодействие ионов с поверхностью", Звенигород,2007;- "Физика полупроводников под давлением", Барселона (Испания),2006; Форталеза (Бразилия), 2008; "Физика полупроводников", Одесса(Украина), 2007; Запорожье (Украина), 2009; Рио-де-Жанейро(Бразилия), 2008, "Перспективные лазерные технологии", Анталья(Турция), 2009;- "Diamond - Европейская конференция по алмазу, алмазо-подобнымматериалам, углеродным нанотрубкам, нитридам и карбиду кремния"Зальцбург (Австрия), 2003; Рива-дель Гарда (Италия), 2005; Эшторил(Португалия), 2006; Афины (Греция), 2009; Будапешт (Венгрия), 2010;Прикладная конференция по алмазам, Цукуба (Япония), 2003;Барселона (Испания), 2005;-"Nano'2009", Санторин (Греция), 2009; "Nano'2010", Тирученгоде(Индия), 2010;- "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение,технология", Москва с 2002 по 2008 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
