Диссертация (1103201), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Образцы № 5 и № 6 показывают минимальное значение отражения,которое не превышает 0.3 % при средней толщине пленки 3 мкм. На следующихрисунках 4.11 б)-г) представлена данные для образца № 5.Таким образом, создание более разветвленной поверхности со вторичнойнуклеацией приводит к тому, что отражение существенно уменьшается. Наотражение пленок влияет два основных параметра: форма структур ипоглощение внутри углеродных наностенок, которое, в свою очередь,определяется наличием дефектов.

Влияние морфологии структур может бытьобъяснено с помощью переменного показателя преломления [85]. В работеописывают конусообразные структуры кремния, в которых плавно меняетсяфактор заполнения с глубиной. Такое плавное изменения фактора заполненияприводит к тому, что показатель преломления не испытывает скачкообразногоизменения на границе воздух — углеродные наностенки.98Рисунок 4.11 а) интегральные характеристики образцов, б) индикатриса образца № 5, в)-г) Sи P поляризация образца № 5.На границе воздух — углеродные наностенки он практически равен 1 изатем постепенно увеличивается. Данные, что на углеродных наностенкахпроисходит плавное изменение показателя преломления, представлены нарисунке 4.8 г) для образца № 1, измеренные с помощью эллипсометра.

Наобразцах № 5-6 присутствует вторичная нуклеация, при этом размер структурсоставляет 50-100 нм, что приводит к еще более плавному изменению. Дляданных образцов не было проведено измерение показателя преломления, чтосвязано с малой чувствительностью эллипсометра.Влияние дефектов можно определить из рамановских спектров. ЗначениеI(D)/I(G) соответствует размеру нанокристаллитов, для образцов №1-4 и №7-9 впределах 0.2-0.6, и все интегральные спектры имеют значение на уровне 1-2%.В тоже время значение I(D)/I(G) для образцов №5-6 составляет 1.3-1.5, чтоговоритоменьшемразмеренанокристаллитов.Приэтомзначениеинтегральных характеристик составляет 0.2-0.4%.

Уменьшение латеральногоразмера графитовых листов приводит к существенному вкладу в электроннуюструктуру. Теоретический анализ углеродных нанолистов показывает появление99нового состояния вблизи уровня Ферми, связанного с границами доменов [ 105].Плотность таких состояний уменьшается экспоненциально от границы к центрудоменов. Появление таких внутризонных электронных состояний не связано соструктурой графита или с висящими связями на границах кристаллитов и можетбытьобъясненоособенностьюсистемойπэлектронов.Встатьепродемонстрировано, что увеличение размера кристаллитов приводит куменьшениюэлектронныхИсследованияоптическихсостояний,свойстввызванныхграфеновыхграницейлистовдоменов.показываютсущественное влияние межзонных электронных состояний, вовлеченных впоглощение излучения [106,107,108].

Мы полагаем, что, так же как и дляграфеновых листов, в углеродных наностенках, большое количество границприводит к влиянию на электронную структуру.Здесь следует отметить, что на данный момент ничего не известно овлиянии атомной структуры (соединение слоев) и обработки поверхности(влияние водородных связей, т. к. пленки выращиваются в водородной плазме)на оптические свойства. В работе [109] показано, что такие состояния приводят кизменению электронной структуры и водородные связи часто возникают надефектах.4.6 Влияние дефектности образцов на оптические свойстваВдоказательствовлияниядефектностипленкибылсделандополнительный эксперимент. Был выращен один образец размером 18*18 мм,после чего он был сломан на 4 части, которые подвергались ионнойимплантация He+ с различными энергиями.

Для имплантации использовалсяускоритель тяжелых ионов «High Voltage Engineering Europe». Энергия ионовбыла 200 кэВ. Структурные свойства до и после имплантации были определеныс помощью рамановской спектроскопии. Основные соотношения спектров100выписаны в таблице 4.5 ниже.Таблица 4.5 Влияние дозы имплантации He+ на структурные свойствапленок.Доза He, см-2ID/IGID/ID'До имплантации0.514.430.724.741.385.781.996.352*101415105*1015Из данных видно, что увеличение дозы имплантации гелия приводит кувеличению отношения I(D)/I(G), что говорит о уменьшении среднего размеракристаллитов. Изменение значения I(D)/I(D') говорит о том, что изменяется типдефектов.

Ионная имплантация приводит к тому, что происходит выбиваниеатомов,и,каквероятныйпроцесс,происходитперестройкананокристаллических доменов. Как известно из работ, в углеродных материалах[110] и, в частности, в графене могут возникать разные типы дефектов взависимости от барьеров энергии, которые необходимо преодолеть для ихсоздания или миграции атомов. К таким дефектам относятся дефекты СтоунУэйлса, дефекты по Френкелю (вакансии и дивакансии), обратные дефектыСтоун-Уэйлса, адатомы и др. Но данная тема находится за рамками обсуждения.На рисунки 4.12 представлены оптические характеристики образцов сразличной дозой имплантации.

При малых углах падения не наблюдаетсязначительных отличий между образцами. Все закономерности начинаютпроявляться, при углах падения более 30º рис. 4.12 а)-в). Данное поведениеспектров может быть связано с тем, что структуры на поверхностирасполагаются под углом 30º к нормали образца, что соответствует 60º паденияна углеродные щиты. Здесь наблюдается закономерность, что с увеличениемдозы, наблюдается уменьшение отражения, но при дозе ионов гелия 5*10 15 см-2снова наблюдается увеличение отражение.

Проведение повторных испытанийприводило к таким же результатам. Данное поведение спектров может быть101связано с тем, что дефектов становится слишком много. Происходит изменениетипов дефектов, так как соотношения I(D)/I(D') и I(D)/I(G) меняются в широкихпределах.Рисунок 4.12а)-в) изменение зеркального отражения в зависимости от угла падения-отражения, г) индикатриса для угла падения 30º и длины волны 500 нм, д)-е) индикатрисыдля угла падения 60º и длины волны 500 и 900 нм.На рис.

4.12 г)-е) показаны индикатрисы для различных длин волн иразличных углов падения. При угле падения 30º закономерности для длин волнв диапазоне от 400 до 1000 нм носят похожий характер. При этом для большихуглов падения наблюдается небольшое отличие в зависимости от длин волнрисунок 4.12 д)-е).Таким образом, чтобыконтролировать отражение отуглеродныхнаностенок необходимо производить контроль дефектности и структуры102(формы) пленки.

Определяющим фактором в оптических характеристикахпленок является морфология, а не дефектность.4.7 Характеристики углеродных наностенок в ИК диапазонеДля данных образцов были измерены коэффициенты отражения ипрохождения в диапазоне от 1.3 до 200 мкм. Для измерения спектральныххарактеристик использовался вакуумный ФТИР спектрометр Bruker Vertex 70v.Дляустранениевлияниякремниевойподложкинаспектры,былодополнительно посчитано отражение, прохождение и поглощения углеродныхнаностенок.Формулыбылиследующими:TНКГ=100*Tобразца/TSi,RНКГ=100*(Rобразца-TНКГ2*RSi), A=100-RНКГ-TНКГ, где T — прохождение, R —отражение, A — поглощение.

При детальном изучении спектров в диапазоне от1 до 2 микрон на спектрах наблюдается D и G пики, которые не видны нарисунке в представленном масштабе. Других особенностей (функциональныхгрупп) на поверхности не наблюдается.Спектры отражения, прохождения и поглощения для образцов № 1-4 и № 6представлены на рисунке. Из рисунка 4.13 а) видно, что образец № 1 имеетнаименьшее значение отражение. Это связано с тем, что для этого образцапрактически все излучение проходит, что видно на рисунке б).

Образцы № 3 и№ 4 имеют схожую высоту, однако поверхностная плотность вещества наобразце 3 больше, чем на образце № 6, что приводит к большим отличиям впрошедшем излучении.Поглощение максимально для образцов № 3-4. В данном случае длинаволны излучения намного превосходит размер структур и поглощениеполностью будет определяться количеством материала на пути излучения.103Рисунок 4.13 а) отражение от углеродных наностенок, б) прохождение электромагнитногоизлучения через углеродные наностенки, в) рассчитанное поглощение структур, г) —действительная n и мнимая k часть показателя преломления.Эффективный показатель преломления и коэффициент экстинкции былпосчитан из данных ФТИР рис. 4.13 г). Для расчетов коэффициента экстинкциии мнимой части показателя преломления принималось предположениеоднородности углеродных наностенок по глубине. Такое предположение можносделать с учетом того, что переменный показатель преломления изменяетсятолько в области 100-200 нм на границе воздух/наностенки, при этомоставшаяся часть образцов №1-4 составляет 800, 1800, 2800, 3800 нм.

Данноепредположение коррелирует с массой образцов, поэтому можно применитьзакон Бугера — Ламберта — Бера:T = I / I 0 = e αl , α =4πkλ0(6)где, α — показатель поглощения, κ — мнимая часть показателя преломления, l— толщина образца, λ — длина волны. Результаты расчетов действительной имнимой части показателя преломления представлены на рис. 4.13 г). Данные104расчеты были сделаны на основе модели модели Максвелла-Гарнета в среде,которая состоит из воздуха и графита [111].На основании модели Максвелла-Гарнета среда может быть описанауравнением: εeff  ε m  = δ  εi  ε m  ε + 2ε  i  ε + 2 ε m m  i eff(7)где εeff — эффективная диэлектрическая проницаемость, εm — диэлектрическаяпроницаемость среды, εi — включенная среда в среду εmс объемнойзанимаемой долей δi . Данное уравнение может быть переписано следующимобразом:εeff = εm21  δi εm + 1+ 2δi εi2 + δi εm + 1  δi εi(8)На основании расчетов было определено, что фактор заполнения образцовравен 0.40±0.02.Сравнение полученных результатов с другими материалами систематизированов таблице.Таблица 4.6 Сравнение оптических характеристик различных пленок.Отражение Поглощени Толщина/поверх Теплопрово Поляриза,%е,% ностнаядность, Вт ционная0.4-1/1-20 0.4-1/1-20 плотность,м-1 К-1зависимосмкммкммкм/мг см-2тьУглеро 0.04/0.04 99,94/99,94 400/2.5дныенанотрубкиУглеро 0.4/0.40-10 99.6/99.6- 1-2/0.15дные90наностенки3500Да>300 НЕТтребуетдальнейшегоисследования105Устойчи Ссылкавость к напопадан работуиюжидкостиНет[90]ДА[5,28]Да-[85, 112]0.1+0.07/0.03+0.

30020.02/0.008~4НетДа[113]НетДа[112,114]0.1/0.05300/НетНетДаДа[115][116]Si0.5/0.5-5столбыSiNx+S 3.7/iO2TiO2 0.01/1-1099.5/ -1.6/0.03/92TiNAublack/90/10-50/0.114919< 3184.7 Выводы к Главе 4Впервые изучены оптические свойства углеродных наностенок, которыеявляютсярекорднымидляматериалатакойтолщины.Исследованиепроводилось в широком диапазоне длин волн 0.4-200 мкм. Показано, чтоуглеродные наностенки размером несколько микрон обладает рекорднымиоптическими свойствами в диапазоне 0.4-1 мкм.В главе детально изучено влияние морфологии и дефектности структур наоптические свойства в видимом и ближнем ИК диапазоне. Такое низкоеотражение и поглощение может быть объяснено двумя механизмами:переменным показателем преломления и дефектами в структурах, которыеприводят к изменению электронного состояния и, как следствие, к изменениюоптических свойств.Наименьшим значением полного отражения 0.13% обладают структуры совторичной нуклеацией и с наименьшим размером кристаллитов, т.

е. болеедефектные. Поглощение структур составляет более 99% в видимом диапазонедлин волн.Оптические свойства углеродных наностенок были изучены в диапазонеот 1.3 до 200 мкм. В диапазоне, в котором работают многие оптическиеприборы, 1-20 мкм поглощение таких структур составляет от 99 до 90%.Такие структуры не боятся попадания влаги и других жидкостей, не имеют106поляризационной зависимости.107ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1.Разработан и реализован метод синтеза углеродных наностенок наповерхностипористогокремния,полученногоспомощьюфотоэлектрохимическоготравления,сиспользованиемметодикиплазмохимического осаждения в разряде постоянного тока в смеси газов метанаи водорода.2.Исследованы автоэмиссионные характеристики углеродных структур наповерхности пористого кремния.

Характеристики

Список файлов диссертации