Автореферат (1103200), страница 2
Текст из файла (страница 2)
«Обзор литературы по методам синтеза углеродных структури их формированию».В первой главе рассматриваются основные методы получения углеродныхнаностенок и рассматриваются недостатки и преимущества существующихметодов синтеза. В течение длительного времени механизм формированияуглеродных наностенок оставался неизученным, но в последние несколько летбыл описан механизм формирования углеродных наностенок [5], и былопроведено экспериментальное подтверждение [6]. Пониманию механизмовформирования углеродных наностенок способствовало открытие и изучение6свойств графена [7].
В данной главе приводится описание механизмовформирования углеродных наностенок и графена на различных поверхностях.Глава 2. «Изготовление образцов и основные методы анализаструктур».В данной главе представлена схема работы экспериментальной установки,рассмотрены основные методы обработки поверхности материалов передростом углеродных наностенок, описаны основные механизмы ихисследования, приведены их свойства.
Представлен новый метод изготовленияобразцов для просвечивающей электронной микроскопии.Также в данной главе приводятся основные характеристики углеродныхнаностенок, описываются уникальные свойства структур, среди которыхбольшая удельная плотность углеродных наностенок на единицу поверхности иих химическая инертность. Данные свойства делают углеродные наностенкипривлекательными в качестве полевых эмиттеров, основы для катализаторов(например, в топливных элементах), основы для осаждения других материалов,суперконденсаторов, теплоотводов и т.
д. Использование углеродныхнаностенок в качестве полевых эмиттеров и в качестве антиотражающихпокрытий для различных приборов является наиболее интереснымиприменениями. Данные направления применения углеродных наностенокрассмотрены в диссертации.Глава 3. «Эмиссионные характеристики пленок, полученных наразличных поверхностях и при различных условиях синтеза».Данная глава состоит из трех частей. В первой части проводится обзорлитературы по существующим автоэмиссионным материалам.
Приводитсясравнительный анализ различных структур и рассматриваются их свойства.Во второй части представлен новый метод обработки поверхностикремния. Показано, что пористый кремний может применяться как подложкадля роста углеродных наностенок. Исследовано влияние параметров травлениякремния на количество центров нуклеации.
Показано, что, изменяя параметрытравления кремния, можно управлять такими свойствами автоэмиссионныхструктур, как плотность автоэмиссионного тока и порог эмиссии.Для структурирования кремния различного типа была разработанаспециальная электрохимическая ячейка с отверстием для света [А4]. Светнеобходим для генерации неосновных носителей заряда в низколегированномкремнии. В качестве источника света использовалась галогенная лампа. Был7собран специальный источник тока, работающий в диапазоне тока от 100 мкАдо 100 мА. Электролитом выступала смесь HF:C2H5OH:H2O в различныхконцентрациях.
После данной процедуры образцы помещали в DC PECVDреактор для роста углеродных структур.Снимки со сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) представленына рис. 1. На кремнии n-типа были получены поры размером до 5 мкм вдиаметре и глубиной до 100 мкм (рис. 1 а)-г)). На кремнии p-типа полученыструктуры микронных размеров (рис. 1 д)-и)).Углеродные наностенки практически не образуются на поверхностипористого кремния n-типа при небольших временах травления (рис. 1 a)).
Наповерхности образцов наблюдаются единичные многослойные нанотрубки. Сувеличением времени травления кремния до 90 мин (рис. 1 б)-г)) происходитобразование сплошной пленки нанокристаллического графита. При временахтравления 60–90 мин не наблюдается визуального изменения морфологииструктур, пленка является сплошной и заполняет поры до самого дна (рис. 1 г)).Для кремния p-типа наблюдается аналогичная зависимость, но она менеевыражена, что связано с морфологией пористого кремния (рис.1 д)-и)). Сувеличением времени травления наблюдается увеличение размера углеродныхнаностенок и многостенных нанотрубок, которые присутствуют в пленке.Принимая во внимание СЭМ снимки и полученные рамановские спектрыпленок [А4] мы можем сделать вывод, что с увеличением времени травленияпроисходит увеличение количества центров нуклеации, на которых в процессеосаждения начинается рост углеродных структур.Автоэмиссионные характеристики измерялись при расстоянии 140 мкммежду катодом и анодом и давлении 10-7 Торр.
Вольт-амперные характеристики(ВАХ) и кривые Фаулера-Нордгейма [8] представлены на рис. 2 а) — б). Дляуглеродных наностенок на поверхности кремния n- и p- типа характерносмещение J-E кривых в область меньших полей и уменьшение порогаавтоэмиссии с увеличением времени травления.8Рисунок 1. СЭМ снимки получаемых структур, время синтеза нанокристаллическогографита 40 мин для всех образцов. Кремний n-типа. (а) время травления: 11 мин, (б) времятравления: 30 мин, (в) время травления: 90 мин, (г) снимок пористого кремния суглеродными структурами под углом 450. Кремний p-типа: (д) - (е) время травления: 11 мин,(ж) - (з) время травления: 25 мин, (и) образование нанокристаллического алмаза.При маленьких электрических полях наблюдается маленький факторусиления β, что видно по большому наклону (наклон ~1/β) кривых ФаулераНордгейма j/(βE)2~exp(-A/(βE)), (рис.
2 регион (А)). Фактор усиления единичнойнанотрубки β1~h/r, r — радиус нанотрубки, h — кратчайшее расстояние междувершиной нанотрубки и поверхностью подложки. При больших электрическихполях, наблюдается маленький наклон кривых Фаулера-Нордгейма (рис. 2регион (B)), при этом фактор усиления β2~3β1.
Для данного результата могутбыть даны два различных объяснения.9Рисунок 2 a) ВАХ и кривые Фаулера-Нордгейма для углеродных наностенок на поверхностикремния n-типа, б) ВАХ и кривые Фаулера-Нордгейма для углеродных наностенок наповерхности кремния p-типа.1) Увеличение фактора усиления может быть объяснено постепеннымподъемом эмиссионных длинных нанотрубок в электрическом поле. В этомслучае высокий β2 говорит о стоящих нанотрубках (угол между нанотрубкой иповерхностью θ=90° при высоких полях), а для слабых полей β1~β2/3соответствует углу θ~20°.2) Рассматривается автоэмиссия с коротких и длинных нанотрубок.
Вопервых, количество длинных нанотрубок значительно меньше количествакоротких, что подтверждается СЭМ снимками. Во-вторых, наблюдаемоеизменение в наклонах кривых Фаулера-Нордгейма показывает, что электроннаяэмиссия с коротких нанотрубок происходит при больших электрических полях,и наоборот, эмиссия с длинных нанотрубок происходит при низкихэлектрических полях (например, при их невертикальном расположении).Подавление коротких нанотрубок при больших электрических полях можетбыть связано с перераспределением тока в кремниевой подложке от коротких кдлинным нанотрубкам.
Большой ток с длинных трубок обеспечивается тем, что10электроны собираются с конического объема кремния на верхушкахнанотрубок. Сбор носителей может быть и в горизонтальном направлении, засчет чего происходит перехват носителей у коротких трубок.Максимальная плотность тока, которая была достигнута на кремнии n-типасоставляла 1 А/см2, а на p-типе составляла 6 А/см2. Принципиальное отличие отобразцов, которые не подвергались травлению, состоит в том, что нанотрубкирасполагаются на островках или выступах микронных размеров, при этом непроисходит экранировка соседних структур.
Фактор усиления поля на такихструктурах был оценен с использованием специально написанной программы.Увеличение фактора усиления может доходить до 50% в добавлении к факторуусиления нанотрубок β0~h/r>10, что может обеспечивать наблюдаемоеуменьшение порога эмиссии и увеличение плотности тока даже с небольшимколичеством нанотрубок в сравнении с неструктурированной поверхностью.В третьей части главы 3 изучено влияние температуры синтеза углеродныхнаностенок на структурные и автоэмиссионные свойства.В качестве подложек для измерения полевой эмиссии использовалсястеклоуглерод.
Толщина подложек варьировалась от 200 до 850 мкм с цельюизменения температуры подложки (чем толще подложка, тем выше температураее поверхности) в плазме.СЭМ изображения пленок, выращенных при различных температурахсинтеза, представлены на рис. 3 а)-б). Из анализа данных просвечивающейэлектронной микроскопии (ПЭМ) и СЭМ определено, что с увеличениемтемпературы синтеза происходит увеличение среднего размера углеродныхлистов на 6.3 нм/°C при неизменной плотности структур на поверхности.Типичное ПЭМ изображение нанотрубок, выращенных при 1060 °С,представлено на рис.
3 в). Их форма также зависит от температуры подложкипри синтезе, а средняя длина нанотрубок пропорциональна температуреподложки с коэффициентом 11 нм/°C.В рамановском спектре отношение I(D)/I(G) для всех пленок, выращенныхв температурном режиме 1010-1125 °С составляет 0.47, что соответствуетразмеру кристаллитов ~10 нм, как указано в работе [9].11Рисунок 3 а)-б) СЭМ изображения нанокристаллического графита, полученного приразличных температурах; в) ПЭМ изображение многостенных нанотрубок; г) зависимостьдлины нанотрубок и разности диаметров основания нанотрубок и их вершины в зависимостиот температуры синтеза.ВАХ пленок, выращенных при разных температурах, представлены на рис.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
