Изучение процессов формирования нанографитных материалов (1103009), страница 4
Текст из файла (страница 4)
По изображениям поперечного сколаплёнки была оценена толщина массива МУНТ, которая составила примерно 15мкм для трёхчасового процесса.Более детальное исследование структурных параметров отдельныхнанотрубок было проведено с помощью просвечивающей электронноймикроскопии. Было обнаружено, что нанотрубки имеют цилиндрическуюформу и незамкнутые (открытые) окончания. Их внешний диаметр составил4-6 нм, они состоят из 4-7 концентрических слоёв, расстояние между которымиравно 0,34 нм (как в обычном графите).В ходе синтеза массивов МУНТ на поверхность подложки не наносилиськаталитически активные частицы.
Чтобы удостовериться в том, что такиечастицы не могли осесть на кремний неконтролируемым образом (например,путём частичного распыления материала электродов или ниобиевой маскиэкрана), был проведён анализ химического состава полученных образцов.Методами энергодисперсионного рентгеновского анализа и спектроскопииэнергетических потерь электронов никаких металлических включений внанотрубках обнаружено не было.В ходе исследований было обнаружено, что на первом этапе процесса приконтакте чистой водородной плазмы с кремнием в подложке могутобразовываться наноразмерные поры высокой плотности.
Размеры и плотностьпор соответствуют внешним диаметрам и плотности расположения нанотрубок.В силу большого кристаллографического рассогласования графена и кремниярост графитных флейков происходит преимущественно перпендикулярноповерхности подложки. При наличии пор на начальном этапе область ростафлейка ограничивается размером поры, а его форма задаётся формой поры.Таким образом оказывается возможной нуклеация цилиндрических графитных15образований, которые, разрастаясь на последующих этапах синтеза, иформируют упорядоченный массив вертикально ориентированных нанотрубок.Заключительныйтретийпараграфпосвящёнисследованиютеплофизических свойств тонких графитных плёнок методом дифракциирентгеновских лучей с высоким временным разрешением.
Исследуемыеобразцы представляли собой тонкую (около 35 нм) графитную плёнку,синтезированную на никеле. При облучении такой плёнки пикосекунднымлазерным импульсом происходил сдвиг дифракционной картины. Типичнаязависимость положения пятна 002 от времени показана на рисунке 6. Сдвигпятна по отношению к положению до облучения лазером (-140 пс)соответствует деформации в направлении, перпендикулярном плоскостиграфитных слоёв.
Максимальная деформация для мощности падающеголазерного пучка в 300 Дж/м2 составила около 0,86%, что соответствует нагревуна ~320 градусов.Рисунок 6. Положение дифракционного 002 пятна в различные моментывремениКривая зависимости температуры графитной плёнки от времени имеет двахарактерных участка. На первом этапе происходит быстрый нагрев графитнойплёнки (характерный временной масштаб, полученный из экспериментальныхкривых, составил 50 пс), после которого следует значительно более медленное(наносекунды) охлаждение, рисунок 7.16Рисунок 7.
Зависимость деформации графита от времени – эксперимент итеоретическая аппроксимация (розовая линия)В первый момент после облучения энергия лазерного импульса полностьюпоглощается электронами, что создает крайне неравновесное состояние всистеме решётка-электроны. Переход тепловой энергии от горячих электроновк холодной решётке является сложным процессом, в котором значительнуюроль играют промежуточные взаимодействия между электронами иоптическими фононами, а также переход горячих фононов в колебательныемоды решётки. Характерное время для этого процесса не превышает ~10 пс.Было определено, что время отклика прибора составляет около 60 пс.
Такимобразом, был сделан вывод, что экспериментально наблюдаемое время, закоторое происходит переход к состоянию с максимальной деформациейграфитной плёнки, определяется не реальной структурной динамикой, аразрешением прибора. Последующее охлаждение происходит на значительнобольших временных масштабах, и время релаксации к комнатной температуреопределяется теплопроводностью графита в направлении, перпендикулярномплоскости атомных слоёв.Для описания хода экспериментальной зависимости температуры графитнойплёнки от времени использовались решения одномерного уравнениятеплопроводности:17где C – удельная объёмная теплоёмкость, T – температура, k – коэффициенттеплопроводности.
Индекс i определяет тип материала в заданной точке (1 –графит, 2 - никель).В качестве граничных условий для уравнения теплопроводностииспользовались условие теплоизоляции на границе графит-воздух и равенствотемпературы нулю на бесконечности.
Начальное условие задавалось как:где I(z) – зависимость интенсивности лазерного излучения от координаты, δ –показатель поглощения, I0 – интенсивность насыщения. I(z) рассчитывалась какрешение следующего дифференциального уравнения:где Flas – интенсивность лазера, r – эффективный коэффициент отражения.Коэффициенты I0 и r считались неизвестными и были определены в процессерасчетов.Теоретическая аппроксимация экспериментальной зависимости приведенана рисунке 7. В ходе расчётов было обнаружено, что ход кривой зависимостидеформации графитной плёнки от времени слабо зависит от начальногораспределения температуры, существенную роль играет лишь суммарнаямощность излучения, поглощённая материалами.
На временах, превышающихпримерно 3 нс, основным параметром, определяющим ход кривой, являетсямощность излучения, поглощённая никелем, т.е. эффективный коэффициентотражения r. Этот коэффициент оказался равным ~75%. Значениекоэффициента насыщения графита оказалось равным ~7,7 Дж/м2. Коэффициенттеплопроводности k1 является определяющим для динамики деформации навременах до ~3 нс, и его значение оказалось равным ~0,7 Вт/м·К.Таким образом, с помощью метода дифракции рентгеновских лучей свысоким временным разрешением была измерена теплопроводность графитнойплёнки нанометровой толщины в направлении, перпендикулярном ориентацииатомных плоскостей.
Согласно теоретическим предсказаниям, онадействительно оказалась ниже значения, получаемого для макро образцов.Кроме того, был определён ряд других физических величин, определяющихвзаимодействие мощного лазерного излучения с веществом.18ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Разработан новый метод моделирования процесса формированияграфена на металлах с заданной кристаллографической ориентациейповерхности. Продемонстрировано хорошее согласие результатовмодельных расчётов с экспериментом.2. Разработана новая модель, позволяющая установить взаимосвязьтолщины получаемой графитной плёнки с условиями синтеза и типомматериала подложки.
Определены оптимальные температуры и временасинтеза для образования графена для некоторых металлов.3. Проведены систематические исследования начального этапа процессаформирования графитных плёнок нанометровой толщины методомплазмохимического осаждения.4. Методомплазмохимическогоосажденияполученымассивымногостенных углеродных нанотрубок без применения катализаторов.Предложена модель их формирования.5.
Предложен новый метод для определения теплопроводности графитнойплёнки нанометровой толщины посредством анализа динамикирентгеновской дифракции с высоким временным разрешением поддействием нагрева плёнки короткими лазерными импульсами. Впервыеэкспериментальнонаблюдаласьзначительнаяанизотропиякоэффициента теплопроводности, предсказанная ранее теоретически.19Список публикаций по результатам, представленным в настоящей работе1.
Исмагилов Р.Р., Волков А.П., Швец П.В., Образцов А.Н. Физикохимические процессы в газоразрядной плазме при осаждениинаноуглеродных пленок / Физикохимия поверхности и защитаматериалов. – 2009. – Т. 45. – № 6. – С. 570-573.2. Ismagilov R.R., Shvets P.V., Zolotukhin A.A., Obraztsov A.N. Opticalcharacterization of plasma enhanced chemical vapor deposition of nanocarbonfilm materials / Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics. – 2009. – V.4. – P.
243-246.3. Копылов П.Г., Образцов А.Н., Швец П.В. Формирование иглоподобныхкристаллитов при плазмохимическом росте алмазных пленок /Кристаллография. – 2010. – Т. 55. – № 4. – С. 757-762.4. Исмагилов Р.Р., Швец П.В., Харин А.Ю., Образцов А.Н.Безкаталический синтез углеродных нанотрубок плазмохимическимметодом / Кристаллография. – 2011. – Т.
56. –№ 2. – С. 336-341.5. Ismagilov R.R., Zolotukhin A.A., Shvets P.V., Obraztsov A.N. Spatiallyresolved in situ diagnostics for plasma-enhanced CVD carbon film growth /Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics. – 2012. – V. 7. – P. 90-94.6.
Harb M., von Korff-Schmising C., Enquist H., Jurgilaitis A., Maximov I.,Shvets P.V., Obraztsov A.N., Khakhulin D., Wulff M., Larsson J. The c-axisthermal conductivity of graphite film of nanometer thickness measured bytime resolved x-ray diffraction / Applied Physics Letters. – 2012. – V.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
