Изучение процессов формирования нанографитных материалов (1103009)

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

Текст из файла

На правах рукописиШВЕЦ Пётр ВалерьевичИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯНАНОГРАФИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Образцов Александр НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукБуга Сергей Геннадьевич,Федеральное государственное бюджетноенаучное учреждение ТИСНУМкандидат физико-математических наукАлександр Валентинович Осадчий,Институт общей физикиим.

А.М. Прохорова РАНВедущая организация:Институт проблем технологиимикроэлектроники и особочистыхматериалов Российской Академии НаукЗащитадиссертациисостоится"14"ноября2013годав17-00назаседанииспециализированного Совета Д.501.002.01 при Московском государственном университетеим. М. В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр.

2, Физическийфакультет МГУ, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан "9" октября 2013 года.Ученый секретарь диссертационного советаД.501.002.01 при МГУ им. М. В. Ломоносовакандидат физико-математических наук, доцентТ. В. Лаптинская2I.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию ичисленному моделированию процессов формирования и физических свойствнаноструктурированных углеродных материалов. В процессе работы былисозданы численные модели, позволяющие описать взаимосвязь междукристаллографическими характеристиками материала подложки и качествомформируемой на ней графеновой плёнки, а также между параметрами процессаосаждения и толщиной образующегося на металле графитового слоя.

Дляэкспериментального получения нанографитных материалов использоваласьметодика плазмохимического осаждения из газовой смеси водорода и метана,активированной разрядом постоянного тока. Было проведено исследованиеначального этапа процесса осаждения наноуглеродных плёнок на никелевые икремниевые подложки, была продемонстрирована возможность формированиямассивов многостенных углеродных нанотурбок на кремнии без примененияметаллических катализаторов. Структурно-морфологические характеристикиполученных образцов исследовались с помощью комбинационного рассеяниясвета,растровойипросвечивающейэлектронноймикроскопии,энергодисперсионногорентгеновскогоанализаиспектроскопииэнергетических потерь электронов. Теплофизические характеристики тонкихграфитных плёнок были измерены методом дифракции рентгеновских лучей свысоким временным разрешением, продемонстрировано хорошее согласие стеоретическими предсказаниями.Актуальностьтемы.Получениенаноуглеродныхматериалов,исследование их свойств и процессов формирования является одним изактуальных направлений современной науки.

В конце 20 – начале 21 века былоткрыт ряд таких материалов, представляющих собой аллотропныемодификации углерода, хотя бы один из линейных размеров структурныхэлементов которых составляет несколько нанометров. Наноуглеродныематериалы привлекают как фундаментальный научный, так и значительныйпрактический интерес благодаря ряду присущим им уникальным физическимсвойствам. Особый интерес в последние годы связан с исследованием тонкихграфитных плёнок и, в частности, графена, который представляет собоймонослой атомов углерода, объединенных в гексагональную сетку.

Графенобладает уникальными механическими, оптическими, теплофизическими иэлектронными свойствами в сочетании с высокой стабильностью и химическойинертностью, что делает его перспективным материалом для целого рядапрактических применений, таких как сверхъёмкие аккумуляторы исуперконденсаторы, прозрачные гибкие электроды, высокочувствительныехимические сенсоры и разделительные мембраны. На данный момент наиболеераспространённым методом синтеза графена является пиролиз углеводородов вприсутствии металлического катализатора. Возможность формированияграфена путём пиролиза была продемонстрирована на целом ряде различных3материалов.

Однако до сих пор поиск подходящих металлов, а также условийдля синтеза графена ведётся, в основном, методом проб и ошибок, а процессыего формирования до конца не поняты. Кроме того, многие физическиесвойства тонких графитных плёнок остаются неизученными, хотя могутпредставлять немалую практическую ценность. Указанные соображенияпослужили основной мотивацией при формулировке цели и задач настоящейдиссертационной работы.Цель работы: теоретическое и экспериментальное исследованиемеханизмов формирования тонких графитных плёнок на металлическихподложках в процессе пиролиза углеводородов и при плазмохимическомосаждении, а также изучение их структурных характеристик и физическихсвойств.В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующиеосновные задачи исследований:1.

Построение моделей, описывающих взаимосвязь между типомматериала подложки и качеством формируемой на ней графеновой плёнки.2. Построение моделей, описывающих взаимосвязь между условиямисинтеза и физическими характеристиками получаемых графитных плёнок.3. Разработка новых и модернизация имеющихся установок и методовсинтеза графитных плёнок нанометровой толщины.4. Изготовление образцов тонких графитных плёнок в количестве,достаточном для их дальнейших исследований.5. Разработка новых методов исследования полученных материалов.6.

Изучение структурных и морфологических характеристик, а такженекоторых физических свойств полученных графитных плёнок нанометровойтолщины.Научная новизна результатов:1. Созданы новые численные модели, описывающие взаимосвязь междукристаллографическими характеристиками материала подложки и качествомформируемой на ней графеновой плёнки.2. Предложены новые методы расчёта толщины графитной плёнки,формирующейся в процессе пиролиза углеводородов на металлическойподложке.3.

Получены новые данные о начальном этапе процесса формированияграфитных плёнок при плазмохимическом осаждении из газовой фазы.4. Впервые с помощью нового метода, основанного на исследованиидифракции рентгеновских лучей с высоким временным разрешением,продемонстрирована сильная анизотропия теплопроводности графитныхплёнок при уменьшении их толщины до нескольких десятков атомных слоёв.Практическая ценность работы. Построенные теоретические модели,описывающие рост графеновых плёнок на металлических подложках,4позволяют предсказать возможность образования графена на заданном металлес заданной кристаллографической структурой поверхности, а также определитьтемпературу и время синтеза для получения материала заданной толщины.

Этирезультаты могут быть использованы для оптимизации процессов полученияграфеновых плёнок. Новые данные по формированию графитных плёнокнанометровой толщины в процессе плазмохимического осаждения позволяютоптимизировать данный процесс и получать плёнки заданной структуры итолщины. Результаты измерения теплопроводности данных материалов могутбыть полезны для термоэлектрических приложений тонких графитных плёнок.Положения, выносимые на защиту:1. Построеначисленнаямодель,позволяющаясвязатькристаллографическую структуру материала подложки и качествообразующейся на ней графеновой плёнки в результате взаимодействия металлас углеводородами при повышенных температурах.2.

Построена численная модель, позволяющая определить зависимостьтолщины графитной плёнки, образующейся на металлической подложке, отпараметров синтеза.3. Получены новые экспериментальные данные о формировании тонкихграфитных плёнок в процессе плазмохимического осаждения.4. Методомплазмохимическогоосажденияполученымассивымногостенных углеродных нанотрубок без применения металлическихкатализаторов. Предложена модель их формирования.5.

Разработан метод определения коэффициента теплопроводностикристаллических материалов нанометровой толщины.6. Экспериментальнопродемонстрированасильнаяанизотропиякоэффициента теплопроводности в тонких графитных плёнках, предсказаннаяранее теоретически.Представленные в диссертации результаты прошли апробацию в ходевыступлений на различных научных конференциях и семинарах, списоккоторых приведён в конце автореферата.Публикации. По материалам исследований, представленных в диссертации,опубликовано 7 статей в реферируемых научных журналах. Список статейприводится в конце автореферата.Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены личносоискателем или при его непосредственном участии. Постановка задачисследований, определение методов их решения и интерпретация результатоввыполненысовместносоавторамиопубликованныхработпринепосредственном участии соискателя.Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёхглав, заключения. Общий объём работы – 142 страницы. Диссертационная5работа содержит 93 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 158наименований.II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведение посвящено обоснованию актуальности выбранной темыдиссертации, формулированию основных целей работы. В этом разделеуказаны её научная новизна и практическая ценность, перечислены основныеположения, выносимые на защиту.Первая глава посвящена анализу литературных данных по тематикедиссертационной работы. В первом параграфе описаны возможные типыгибридизации атомных орбиталей углерода, рассмотрены известныеаллотропные модификации этого элемента, приведены сведения относительноих атомного строения и особенностей структуры.

При этом особое вниманиеуделяется наноразмерным графитоподобным углеродным материалам: графену,нанотрубкам, фуллеренам.Физические свойства, возможные практические приложения и методысинтеза графена подробно описаны во втором параграфе. Здесьрассматривается кристаллическая структура графеновой плёнки, еёэлектронные, оптические, термические и механические свойства, а такжеэксперименты, с помощью которых исследуется этот уникальный материал.Графен обладает огромным потенциалом для его применения в различныхобластях науки и техники.

Например, хорошая электрическая проводимость всочетании с высокой оптической прозрачностью делают его перспективным дляиспользования в качестве прозрачных электродов. Уже созданы органическиефотоэлектрические ячейки и органические светоизлучающие диоды,работающие на графене, которые превосходят по своей эффективностианалогичные устройства на основе оксида индия и олова.

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.

Список файлов диссертации