Диссертация (1103201), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Но данные исследования требует дальнейшего изучения, таккак при росте углеродных наностенок могут варьироваться не только толщинапленки, но и поверхностная плотность и форма структур.Существует множество самых разных материалов, которые показываютуникальные оптические свойства в широком диапазоне длин волн, нобольшинство из этих материалов обладают рядом недостатков. Так, длясоздания кремниевых структур используются сложные технологическиепроцессы, которые делают материал дороже. Кремниевые структуры неподходят для работы в ИК диапазоне. При росте углеродных нанотрубокиспользуется металлический катализатор, который практически невозможноудалить с поверхности, более того попадание жидкости на их поверхностьприводит к тому, что они начинают ломаться.
Низкое отражение и высокое83поглощение упорядоченных нанотрубок достигается за счет большой длины,что приводит к ухудшению их теплопроводности. Нанотрубки также обладаютполяризационнойотношениизависимостьюиспользованиеэлектромагнитногографенапредставляетизлучения.особыйВинтерес,этомноувеличение слоев графена приводит к увеличению отражения.До сих пор не было произведено измерение оптических характеристикуглеродных наностенок, которые состоят из графеновых слоев толщиной от 1до 20 шт и свободно стоят на поверхности.
Рост структур производится безиспользования дополнительных катализаторов. Данное исследование проведенов Главе 4. По результатам исследований определено, что отражение отуглеродных наностенок превосходит свойства других материалов, присущественно меньшей толщине пленки. Поглощение структур составляет более99% в видимом диапазоне длин волн.4.2 Измерение оптических свойств углеродных наностенок4.2.1 ВведениеВ зависимости от практических целей антиотражающие материалы(покрытия) должны обладать целым рядом важных свойств.
Так, современныенаноструктурированныематериалы,используемыедляантиотражающихпокрытий в солнечных батареях или в оптических приборах, должны иметьминимальный коэффициент поглощения. Они зачастую состоят из того жематериала, что и сам прибор. Например, кремния [85]или SiO2 [99] ииспользуют принцип переменного показателя преломления [100]. Покрытия дляболометров, солнечных термических станций или термоэлементов, наоборот,должны максимально эффективно поглощать излучение в широком диапазонедлин волн вне зависимости от угла падения и поляризации излучения (такоепокрытие близко по своим свойствам к характеристикам абсолютно черного84тела).Кроме того, технология создания такого рода покрытий и сам материалпокрытия должны быть совместимы с технологией производства всего прибора.Выполнение всех этих требований накладывает достаточно жесткие условия,как на сам материал, так и на технологию его создания.Вданномразделеисследуетсяновыйтипантиотражающего(поглощающего) покрытия на основе углеродных наностенок, изучаютсяоптические свойства в широком диапазоне длин волн от 0.2 до 200 мкм.
Пленкиобладают существенным преимуществом по сравнению с нанотрубками,кремнием и черной краской (обладают меньшей массой на единицуповерхности, устойчивые к попаданию влаги, не зависят от поляризацииизлучения). Более того, в видимом диапазоне длин волн, поглощениеэлектромагнитного излучения нашими пленками не уступает поглощениюкремния и нанотрубок, обладают меньшим весом, что дает нам основанияполагать, что данные пленки могут быть использованы для изготовленияразличных оптических устройств.4.3 Экспериментальная частьДля роста углеродных нанотрубок использовались две различныеустановки. В одной установке соотношение CH4 и H2 были фиксировано(данная установка позволяет растить образцы размером 20*20 мм), на второйпроизводили изменение состава смеси и тока разряда, что приводило кизменению морфологии структур. Схема измерения оптических свойств и схемавзаимодействия электромагнитного излучения с веществом представлены нарисунке 4.4.85Рисунок 4.4 Схема установки и схема взаимодействия света с углеродными наностенками.Оптические свойства образцов в видимом диапазоне измерялись наприборе LOMO СФ-56 (рабочий диапазон от 300 до 1100 нм) и на собранномприборе в диапазоне от 400-1000 нм.
Прибор LOMO СФ-56 оснащен двумяисточниками излучения (ксеноновая и галогенная лампы) и белой сферой,позволяющей определять полное отражение от образцов. Образцы в данномприборе фиксируются под углом 87 к падающему излучению. Собранныйприбор дает большую степень свободы для измерения оптических свойствобразцов. Прибор состоит из галогенной лампы, гониометра и спектрометраAvesta 100MF с апертурой волновода 10, чувствительность данного прибора100 фотонов в секунду. Полное отражение рассчитывалось по специальнонаписанной программе и было нормировано на LOMO СФ-56.
Для определенияполяризационной зависимости отражения излучения использовались S и Pполяризаторы.Измерения в ИК диапазоне производили на приборе Bruker Vertex 70 врежиме прохождения и в режиме отражения, диапазон измерения прибора от1.3 до 200 мкм. Для каждого образца производили усреднение по 100 сканам.Структурные характеристики образцов исследовались с использованиемРамановской спектроскопии с длиной волны 532 нм в диапазоне от 500 см -1 до863800 см-1. Для определения показателя преломления структур использовалсяэллипсометр Sentech SE 800 с рабочим диапазоном от 240 до 780 нм.4.4 Изменение оптических свойств структур в зависимости от времениосаждения.4.4.1 Экспериментальная часть синтеза образцов разной толщиныРассмотрим оптические свойства образцов, выращенных на первойустановке в стандартных условиях синтеза при изменении времени синтеза.Рост пленок производили на установке плазмохимического осажденияврежиме постоянного тока DC PECVD.
Условия напыления были такими же, каки других главах. Вакуумная камера была откачена до давления 10 -2 Торр, послечего производили напуск рабочих газов CH4 и H2 до давления 150 Торр. Синтезуглеродных наностенок производили на кремниевых подложках, которые имелиразмер 20*20 мм (рис. 2.3) и на кварцевых подложках, для определенияпрохождения электромагнитного излучения через углеродные наностенки ввидимом диапазоне. Также пленки были синтезированы на никеле, дляопределения влияния подложки на оптические свойства материала.Для определения влияния толщины пленки на оптические свойства былразработан многоступенчатый рост пленок.
Сущность данного процессазаключается в том, что рост пленок производили в течение 40 мин, после чегопроизводили отжиг получаемых структур в водороде в течение 1 мин, дляудаления наиболее аморфной фазы, с последующим ростом в течение 40 мин, итак далее. При этом необходимо отметить, что оптические свойства структурпосле отжига в водороде не изменялись. Такой процесс синтеза производили до4-х раз. Время синтеза 40 (1 шаг), 80 (2 шаг), 120 (3 шаг), 160 (4 шаг) минутсоответствует толщине пленки 1, 2, 3, 4 мкм. При многоступенчатом росте87плотность ребер остается постоянной. Плотность структур на поверхностикремния определяли взвешиванием образцов до и после процесса синтеза, авысота определялась с помощью сканирующей электронной микроскопии.Данные пленок представлены в таблице 4.1.Таблица 4.1 Параметры синтезированных пленок.Образец №Время роста, минМасса пленки, г см-2Толщина, мкм1401.5·10-412803·10-4234-41204.5·103160-446·104.4.2 Структурные характеристики образцовСнимки со сканирующего электронного микроскопа для образцов,выращенных в многоступенчатом процессе, представлены на рисунке 4.5.Данные снимки соответствует времени роста 40, 80, 120 и 160 мин.
Из рисунка4.5 а)-б) видно, что толщина пленок увеличивается линейно со временемсинтеза. Углеродные наностенки располагаются на поверхности образцапрактически вертикально. В нашей работе [5] при детальном анализе спомощьюпоглощенияокологопороговойтонкойструктурыспектрарентгеновскогоNEXAFS (Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure) былоопределено, что структуры располагаются в основном под углом 30ºотносительно нормали к подложке. На рисунке 4.5 б) представлено модельноеизменение показателя преломления с изменением высоты. На рис.
4.5 в)представлено изображение с просвечивающего электронного микроскопа. Изснимка видно, что среднее расстояние между листами углеродных наностеноксоставляет 0.34 нм. На вставке представлено изображение пленки при большемразрешении. На данной картинке видна шестиугольная структура углерода. На88последней картинке представлены пленки до и после погружения их в воду испирт. После данного погружения, пленки были высушены в вакууме, послечего производилось изучение их структуры и измерение оптических спектров.Рисунок 4.5 СЭМ и ПЭМ снимки образцов а)-б) СЭМ снимки образцов разной толщины взависимости от времени (шагов) синтеза для образцов № 1-4. б) вставленным графикомпоказано изменение показателя преломления с глубиной для образца № 4, в) типичное ПЭМизображение, г) образцы до и после погружения в воду и спирт.Анализ изображений СЭМ показал, что после данной процедурыморфология углеродных наностенок не изменяется, также не происходитизменение оптических спектров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
