Диссертация (1103201), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Если в пленке присутствуют многостенныенанотрубки, то после данной процедуры они ломаются (изображение не89представлено). Но так как при оптических измерениях определяющимисвойствами будут обладать углеродные наностенки, а не многостенныенанотрубки(количествонанотрубоквразыменьше,чемколичествонаностенок), то их слом не приводит к изменению оптических характеристик.Спектрыкомбинационногорассеянияпленокразличнойтолщиныпредставлены на рисунке 4.6.
Образцы №1, №2, №3, №4 соответствуютвремени роста 40, 80, 120, 160 мин, и средней толщине пленки 1, 2, 3, 4 мкм.Рисунок 4.6 Рамановские спектры образцов, полученных при различном времени роста.Данные спектры были аппроксимированы функциями Лоренца. Основныепараметры данных линий выписаны в таблицу 4.2.Таблица 4.2 Данные Рамановской спектроскопии.№IdIgI2dFWHM FWHMg FWHM2ddId/IgI2d/IgLα,nm11347.54 1580.94 2698.8349.729.2700.370.6711.921346.5 1579.18 2696.414829.970.30.370.6811.931346.76 1578.61 2696.7844.828.573.30.310.5614.941348.17 1578.87 2696.6130.822.760.60.20.642290Idx/Igx/I2dx — положение пиков, Id/Ig/I2d — интенсивность основных линий,Wd/Wg/W2d — полуширина линий, Lα — размер кристаллитов, которыйопределяется из эмпирической формулы [40]. В отличии от графена, которыйхарактеризуется двумя основными пиками G и 2D, углеродные наностенкихарактеризуются тремя пиками D, G, 2D.
Положение пиков представлено втаблице.D — пик характеризует размер конечный размер кристаллитов. G — пикговорит о E2g моде графита. Для описания графито-подобных структур обычноиспользуют полуширину пиков FWHM и отношение интенсивностей ID/IG,I2D/IG. Из работ известно, что FWHM характеризует несовершенствокристаллитов и аморфную фазу углерода [68], а отношение ID/IG характеризуетразориентацию графитовых кристаллитов и размер кристаллитов [101].Отношение показывает I2D/IG характеризует толщину графеновых листов [41].При этом исходя из 2D пика может быть определена толщина нескольких слоевграфена. Отношение I2D/IG остается примерно одинаковым для всех пленок.Размер кристаллитов может быть определен исходя из эмпирической формулы,представленной в работе [40].
В нашем случае размер кристаллитов изменяетсяот 11.9 до 22 нм.4.4.3 Оптические характеристикиНа рисунке 4.7 а) показано отражение образцов под углом 45º для образцов№1-4 при нормальном падении. Рисунок 4.7 б) показывает уменьшениезеркального отражение с увеличением толщины. Детальное изменениеотражение для образца № 4 представлено на рисунке 4.7 в). Из приведенныхспектров видно, что зеркальное отражение уменьшается с увеличениемтолщины, в тоже время происходит увеличение отражения с увеличением углападения.
Данные результаты связаны с анизотропией данных образцов. Приэтом при нормальном падении излучения на образец, все спектры похожи и не91сильно отличаются друг от друга. Такое поведение связано с тем, что принормальном падении излучение проходит сквозь вертикально стоящие ребра ирассеивается рисунок 4.4 б). С увеличением угла, излучение проходит сквозьлисты и попадает в детектор рис. 4.4 в)-г). При описании таких структурследует принимать во внимание анизотропию показателя преломленияуглеродных наностенок и двулучепреломление.На рисунке 4.7 г) представлено диффузное отражение образцов.
Поддиффузным отражением здесь понимается среднее отражение (плато) беззеркального отражения. Данные образцы не показывают особенностей.Рисунок 4.7 Оптические спектры образцов № 1-4 а) нормальное падение излучения наобразцы и отражение под углом 45º, б) зеркальное отражение под углом 45º, в) для образца№ 4 представлено изменение зеркального отражения в зависимости от угла, г) диффузноеотражение образцов.На рисунке 4.8 а) показано полное отражение. Спектры снимались наспектрометре LOMO СФ-56 при угле падения на образец 8º. Спектры имеютаналогичную зависимость с небольшим увеличением интенсивности от образца№ 1 к образцу № 4.92Рисунок 4.8 а) интегральное отражение от образцов, б)-в) поляризационные зависимости ииндикатриса образца № 1, г)изменение показателя преломления с толщиной пленкиизмеренное на эллипсометре SENTECH SE800Для определения поглощения пленок в видимом диапазоне на кварцевойподложке была выращена пленка, аналогичная пленке № 2.
В пределахчувствительности спектрометра Avesta 100MF (100 фотонов в секунду) не былозарегистрировано сигнала. Данное измерение и данные отражения в полусферупозволяют сделать вывод, что поглощение пленок более 98%.На рис. 4.8 б)-в) показано типичное изменение S и P поляризации взависимости от угла и индикатриса. В спектрах не наблюдается никакихособенностей.На рис. 4.8 г) показано изменение показателя преломления для пленки № 1,полученного с помощью эллипсометра.
Для данных измерений былаиспользована модель с переменным показателем преломления. На границенаностеноки/воздух был задан показатель преломления воздуха, на границенаностенки/подложка показатель преломления графита, который варьировался.Углеродные наностенки являются пористым материалом, что и приводит к тому,что показатель преломления на границе наностенки/подложка меньше, чем уобъемного графита. На образцах № 2-4 измерение показателя преломления не93было проведено, т. к.
эти образцы имеют отражение, которое не попадает в зонучувствительности прибора. На рисунке 4.5 б) наложена иллюстрация измененияпоказателя преломления с глубиной для более толстой пленки. Мы полагаем,что плавное изменение показателя преломления происходить только в верхнейчасти, что подтверждается СЭМ изображением.Таким образом, с помощью многоступенчатого метода можно раститьпленки заданной толщины и определенной плотностью.
Изменение условийсинтеза(температурыхарактеристикииитока)плотностьпозволяетпленки.варьироватьПлавноеизменениеструктурныепоказателяпреломления происходит только на границе воздух/наностенки. Даннаяособенность показана на рисунке 4.5 б). Увеличение толщины пленки приводитк уменьшению зеркального поглощения и увеличению отражения в полусферу.4.5 Синтез и исследование свойств углеродных наностенок различнойморфологии4.5.1 Экспериментальная часть синтеза пленок разной морфологииВ другом эксперименте мы варьировали условия синтеза для полученияуглеродных наностенок разной морфологии. Для этого производили изменениетока разряда и давления. Основные параметры синтеза указаны в таблице 4.3.Морфология пленок определялась с помощью линейного размера углеродныхнаностенок (данные получены из СЭМ изображений), плотности пленки(количество наностенок на единицу площади) и полной толщины пленки.Таблица 4.3 Параметры синтеза образцов.Образец, № Ток разряда, Температур Соотношен Давление,Аа подложки, ие CH4/H2 , ТоррºС%94Времясинтеза,мин50.7-0.98001/101503560.7-0.98001/10100-1502570.77301/101503580.657300.8/101502590.6-0.87800.8/10150254.5.2 Характеристики получаемых образцовНа рисунке представлены образцы различной морфологии, вид сверху ипод углом 70 градусов.
Для их характеристики была написана специальнаяпрограмма на LabView, которая позволяет посчитать количество и размеруглеродных наностенок. На некоторых образцах наблюдается вторичнаянуклеация.Рисунок 4.9 СЭМ снимки образцов. Различная морфология пленки в зависимости отрежимов синтеза (первый снимок вид сверху, второй вид с под углом 70º )Толщина образцов № 5 и № 6 примерно одинаковая и составляет порядка 3 мкм.Из СЭМ изображения хорошо видно, что на образцах № 5 и № 6 наповерхности графитовых листов наблюдаются маленькие листы — вторичная95нуклеация. Однако количество вторичной нуклеации на поверхности листовявляется разным для образца 5 и 6.
На образце 5 существенно большеграфитовыхлистоввторичнойнуклеации,чтоприводиткразнойповерхностной плотности (23 мкм-2/ 13 мкм-2 для образцов № 5 и 6) и куменьшению среднего линейного размера углеродных листов до 310 нм наобразце № 5 и 370 нм на образце № 6.Таблица 4.4 Определенные параметры различных образцов.№5№6№7№8№93.5352.52Средняя поверхностная 23плотность углеродныхнаностенок,[мкм-2]13377Среднийразмер 310углеродных наностенок,[нм]370900630630I(D)/I(G)1.51.30.220.60.25I(D)/I(D')2.42.923.31.8I(G)/I(2D)1.111.61.12FWHM(D/G/2D)40/30/70 40/30/60 40/25/60 35/25/60Толщина пленки, [мкм]45/25/70На образцах № 7-9 не наблюдается вторичной нуклеации. Образцы имеютразличную высоту и средний размер графитовых листов.
Образец № 7 имеетмаксимальную толщину пленки и средний размер графитовых листов 5 мкм и900 нм, а также низкую поверхностную плотность 3 мкм-2. Образцы 8 и 9имеют толщину 2-2.5 мкм и практически одинаковую поверхностную плотность7 мкм-2 .Рамановские спектры данных образцов имеют стандартную форму. Втаблице 4.4 представлены основные параметры спектров, полученные спомощью аппроксимации Лоренцевой формой кривой. В соответствии сэмпирической формулой размер нанокристаллических доменов варьируется от963 до 22 нм [40]. Отношение I(D)/I(D') говорит о типе дефектов [102] в структурахи не зависит от их концентрации. Для данных образцов данное значениеварьируется от 1.8 до 3.3, что может свидетельствовать о граничных дефектах.Из таблицы 4.4 наблюдается обратно пропорциональная закономерностьмеждусреднимиразмерамилистовнанокристаллическогографитаиотношением I(D)/I(G). Наибольшее значение D пика наблюдается для образца№ 5, в то время как образец № 7 имеет наименьшее значение плотностиграничноподобных дефектов.
Образец № 7 и № 8 отличаются по значениюI(D)/I(G), что можно отнести к различной плотности доменов, из которыхсостоят индивидуальные углеродные листы.Пик 2D не зависит от наличия дефектов, но его положение, FWHM иформа чувствительны к типу укладки слоев, которые называются турбостратнаяили как для графита ABAB [103,104]. Для наших структур данный пиксимметричный и достаточно широкий, что говорит о том, что этотурбостратный углерод.4.5.3 Оптические характеристики образцов разной морфологииДля этих образцов были проведены оптические измерения.
На рисунке4.10 представлены спектры отражения образцов. На рисунке 4.10 а) изображенонормальное падение излучения на образец и отражение под углом 45º. Нарисунке 4.10 б) представлено зеркальное отражение образцов под углом 45º. Нарисунке 4.10 в) представлено угловое изменение отражения для образца,который имеет минимальное отражение.
Видно, что отражение образцаувеличивается с увеличением угла. На последнем рисунке представленодиффузное отражение образцов. Видно, что с увеличением номера образцадиффузное отражение увеличивается.97Рисунок 4.10 а) Нормальное падение излучения на образцы и отражение под углом 45º, б)зеркальное отражение под углом 45º, в) угловая зависимость зеркального отражения дляобразца № 5, г) диффузное отражение от различных образцов.На рисунке 4.11 представлены интегральные характеристики различныхобразцов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
