Изучение процессов формирования нанографитных материалов (1103009), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Исключительныемеханические свойства графена позволяют ему выдерживать высокое давление,и созданные на его основе непроницаемые мембраны могут применяться дляхранения и разделения газа или для предотвращения утечек в вакуумномоборудовании. Графен (а также оксид графена) может быть использован какнаполнитель для полимеров, что приводит к значительному улучшению такихсвойств как упругость, прочность, электрическая проводимость и термическаястабильность полимерной матрицы при низких концентрациях наполнителя.Благодаря тому, что проводимостью графена можно управлять за счетвнешнего электрического поля, а подвижность носителей заряда в нём весьмавысока, данный материал перспективен также для наноэлектроники будущего,в частности, для создания полевых транзисторов. Экспериментально уже былипродемонстрированы подобные устройства с рабочей частотой до 100 ГГц.Молекулы, адсорбированные на листе графена, могут служить донорами илиакцепторами, изменяя тем самым уровень Ферми, подвижность носителей иэлектрическуюпроводимость.Этисвойствапозволяютсоздаватьчувствительные датчики для детектирования различных газов или биомолекул.6В пионерских работах графен был получен микромеханическимрасщеплением, однако размеры образцов, изготавливаемых с помощью этогометода, не превышают нескольких десятков микрометров.
В связи с этимособый интерес привлекает разработка методик, позволяющих проводитьсинтез графена с площадью, приемлемой для промышленных технологий. Ктаким методикам относится, например, термическое разложение поверхностиSiC, однако данный процесс требует высоких температур и сверхнизкихдавлений, что делает его весьма дорогим. Другой метод, позволяющийполучить графен хорошего качества – это пиролиз углеводородов наметаллическом (обычно медном) катализаторе.
Этот способ относительнодешев и проходит при более мягких условиях, чем разложение карбидакремния, в связи с чем получил на данный момент наибольшеераспространение. Недостатком каталитического пиролиза является то, чтопосле окончания синтеза графен оказывается расположенным на проводящейповерхности металлического катализатора, и для дальнейшего использования иизучения необходимо перенести его на другую, обычно диэлектрическую,подложку. В связи с этим часть первой главы посвящена описанию различныхвариантов процедуры переноса графена на подложки с заданными свойствами.В заключительном третьем параграфе первой главы рассматриваютсянекоторые теплофизические свойства тонких графитных плёнок. Здесьприводятся экспериментальные данные об анизотропии теплопроводностиграфита, а также теоретические предсказания в случае уменьшения толщиныплёнки до нескольких атомных слоёв. Теория предсказывает сильное падениекоэффициента теплопроводности в направлении, перпендикулярномориентации графеновых плоскостей, при уменьшении толщины кристалла донанометровых значений.
Такие плёнки представляется перспективными длясоздания термоэлектрических устройств высокой эффективности.Вторая глава диссертации содержит описание экспериментальных методики теоретических подходов, использовавшихся для изучения процессовформирования и физических свойств нанографитных материалов.В первом параграфе рассматривается методика синтеза плёночныхуглеродных материалов методом газофазного химического осаждения в среде,активированной тлеющим разрядом постоянного тока. Установка состоит извакуумной камеры, в которой располагаются анод и катод.
Послевакуумизации, заполнения рабочей смесью газов (метан и водород) и подачинапряжения между электродами возникает плазменный разряд. Подложкарасполагается на аноде в непосредственном контакте с плазмой, и в результатехимических реакций в этих условиях на ней могут образовываться углеродныеплёнки различной структуры. Основными параметрами, определяющимиморфологию этих плёнок, являются состав и давление газовой смеси, скоростьеё прокачки, напряжение и сила тока разряда, тип и температура подложки,конфигурация электродов, время процесса осаждения.
В зависимости от этих7параметров могут быть получены нано- и микрокристаллические плёнкиалмаза, моно- и поликристаллические плёнки графита, углеродные нанотрубки,сажа и другие формы углерода.Во втором параграфе описаны использовавшиеся в работе методыисследования полученных углеродных материалов. Особое внимание уделеноспектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС), поскольку этаметодика является одной из наиболее информативных для определенияфазового состава, степени кристаллографического совершенства и характерныхразмеров структурных единиц образца.
Например, по форме и положениюG’-линии (которая находится около 2700 см-1 при возбуждении излучением сдлиной волны 514,5 нм) можно точно определить толщину плёнки, если она непревышает порядка четырёх атомных слоёв.Третий параграф посвящён описанию экспериментальной методики,которая использовалась в работе для исследования теплофизических свойствтонких графитных плёнок. Подробно рассмотрены общие принципы дифракциирентгеновских лучей с высоким временным разрешением, приведены основныесведения о современных источниках рентгеновского излучения. Схемаэксперимента показана на рисунке 1.
Для исследований использовалась тонкаяграфитная плёнка, осаждённая на никелевую подложку. При поглощении частилазерного излучения происходил её нагрев и изменение структуры вследствиетермического расширения. Увеличение межатомных расстояний в направлении,перпендикулярном ориентации графитных атомных плоскостей, приводило ксдвигу дифракционных пятен.
По этому сдвигу определялось изменениепостоянной решётки, которое затем пересчитывалось в относительнуюдеформацию или температуру (по известному коэффициенту термическогорасширения графита). Зная зависимость температуры плёнки от времени,можно рассчитать ряд физических величин, определяющих ход данной кривой,в том числе коэффициент поперечной теплопроводности.Рисунок 1. Схема дифракционного эксперимента.8Заключительный четвёртый параграф главы посвящён описаниюподходов, связывающих тип подложки и условия синтеза с качеством итолщиной формируемой на ней графитной плёнки.Для расчёта кристаллографического соответствия между поверхностьюметалла и структурой графена была разработана и отлажена специальнаякомпьютерная программа. После задания материала подложки путём выборатипа решетки и её размерных параметров и индексов Миллера исследуемойповерхности можно выполнить расчёт параметров кристаллическогорассогласования.
Для этого используется следующий алгоритм:1. Вокруг каждого атома поверхности строится ячейка Вигнера-Зейтца(рисунок 2а, грань (100) ГЦК решётки).2. НаходитсянаилучшаяаппроксимацияячейкиВигнера-Зейтцаправильным шестиугольником. Если H – аппроксимирующий шестиугольник, аW – ячейка Вигнера-Зейтца, то наилучшее приближение считаетсядостигнутым, когда площадь фигуры (H\W)U(W\H) (закрашена тёмно-жёлтымцветом на рисунке 2б) минимальна.3.
Послепостроениявсехаппроксимирующихшестиугольниковрассчитываются два параметра несоответствия, “Lattice Defect” (LD – «дефектрешетки»), и “Hexagonal Defect” (HD – «гексагональный дефект»), согласноследующим формулам:где Gc – расстояние между атомами в графене, равное 1,421 Å, Ac – средняядлина стороны аппроксимирующего шестиугольника, а SD – средняя площадьфигуры (H\W)U(W\H), разделённая на площадь ячейки Вигнера-Зейтца.Рисунок 2.
Ячейка Вигнера-Зейтца и аппроксимирующий шестиугольник дляалгоритма расчёта кристаллографического соответствия9Отрицательный параметр LD означает, что Gc < Ac, то есть графен навыбранной поверхности должен подвергаться деформациям растяжения.Аналогично, ситуация LD > 0 соответствует деформациям сжатия. HDописывает искажения углов C-C связей и неравномерности их длин.Помимо описанного выше алгоритма 1 для расчётов использовался такжеалгоритм 2, который отличается только первым шагом. Вместо ячейкиВигнера-Зейтца для дальнейшей аппроксимации правильным шестиугольникомиспользуется базовая ячейка, состоящая из трёх центров поверхностных атомови трёх узлов ячейки Вигнера-Зейтца.Зависимость толщины графитной плёнки, образующейся на металлическойподложке, от условий эксперимента оценивалась с помощью численногорешения уравнений диффузии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
