Получение и свойства графитных пленок нанометровой толщины (1104462), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На этом же рисунке для соответствующих материаловпредставлены результатыКРС спектроскопии. СпектрыКРСдемонстрируют существенные различия в структуре и составесинтезированных нано-углеродных плёнок.В следующих разделах данной главы приводятся описания методик,использовавшихся для определения фазового состава и структурноморфологических характеристик различных углеродных образцов. Вкачестве основного метода исследования структуры, упорядоченности исостава плёнок использовался метод КРС (рис.
1). Анализ литературыпоказывает, что данный метод является одним из наиболееинформативных инструментов для исследования углеродных материалов.К его положительным особенностям также можно отнести то, что КРСявляетсянеразрушающейметодикой,позволяющейпроводитьоперативный анализ структурных особенностей и фазового составауглеродных материалов. Регистрация спектров КРС осуществлялась наприборах Ramanor U1000 и T64000 фирмы Jobin Yvon.Дополнительная информация о морфологии, структуре итопологических особенностях исследуемых материалов получалась такжеметодами электронной и зондовой микроскопии. Исследования с помощьюметода растровой электронной микроскопии (РЭМ) проводилисьсовместно с А.В.
Гаршевым (Факультет наук о материалах МГУ) наприборе LEO Supra 50 VP (ZEISS). Исследование образцов методомпросвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводилисьсовместно с С.С. Абрамчуком (Физический факультет МГУ), намикроскопе LEO 912 AB Omega (ZEISS). Исследования образцов на ПЭМвысокого разрешения проводились совместно с А.Л. Чувилиным (UlmUniversity, Ulm, Germany) на микроскопе TITAN 80-300 (FEI). Кроме этогодля отдельных образцов были проведены исследования с помощьюметодов сканирующей туннельной (СТМ) и атомно-силовой микроскопии(АСМ).
Эти исследования проводились в National University of Singapore(совместно с Kok-Chung Chin), в ИОФ РАН (совместно с К.Н. Ельцовым) ив ФТИ им. А.Ф. Иоффе (совместно с А.Н. Титковым). Совместно с И.А.Няпшаевым (ФТИ им А.Ф. Иоффе) изучались топологические особенностиисследуемых углеродных плёнок на АСМ установке INTEGRA AURA(НТ–МДТ).Одной из задач настоящей диссертации было изготовлениепрототипов электронных приборов и устройств на основе нанографитныхплёнок,полученныхплазмохимическимосаждением.Дляисследовательских целей и прототипирования были разработаны методикиотделения графитных плёнок от подложек, на которых они получались в9процессе плазмохимического осаждения, а также способы переносаграфитных пленок на другие подложки с заданными характеристиками.Представлено краткое описания используемых методик.
Так, например,для ПЭМ исследуемые графитные плёнки переносились на металлическуюсетку, а для оптической и ИК-спектроскопии – на покровное стекло. Дляполучения образцов в виде свободных нанографитных плёнок подложкаудалялась путем химического травления. Состав использовавшегосятравителя определялся материалом подложки: никель или кремний.
Вслучае кремниевых подложек в роли растворителя выступала плавиковаякислота (HF); для никеля был приготовлен специальный раствор серной(H2SO4) и азотной (HNO3) кислот, разбавленный дистиллированной водой.Полученные свободные пленки отмывались в дистиллированной воде ипереносились на металлические сетки, предметные стекла, кремний илидругие подложки, пригодные для дальнейших исследований.
Совместно спрофессором С.Н. Чвалуном (НИФХИ им. Карпова) была разработанаметодика перенесения графитных плёнок на гибкую прочную тонкуюдиэлектрическую полимерную основу 10-ти микронной толщины.Нанографитная плёнка в такой модификации сохраняет целостность приразмерах 2×2 см2. Кроме этого, такой образец также имеет высокуюоптическую прозрачность, что является удобным для проведенияэлектрофизических и оптических исследований.В пятом параграфе второй главы описаны различные способыоценки толщины графитных плёнок нанометровой толщины, получаемыхметодом плазмохимического осаждения. Один из самых простых ибыстрых способов заключается в оценке высоты профиля, полученногопри сканировании зондом АСМ края исследуемой графитной плёнки илицарапины на её поверхности.
Также оценку толщины возможно проводитьметодами КРС и ИК-спектроскопии, с помощью ПЭМ высокогоразрешения и по фазовому контрасту с помощью обычного оптическогомикроскопа.Для проведения электрофизических исследований нанографитасинтезированного методом плазмохимического осаждения былиизготовлены прототипы транзисторов на основе графитных плёнок,перенесённых на полимер, и транзисторов на основе графена, полученногометодом микромеханического расщепления нанографитных пленок. Дляизготовления транзисторов на основе графеновых слоев, полученныхмикромеханическим расщеплением пленок, использовались методыэлектронной литографии и реактивного ионного травления.
Эти работыпроводились в ходе стажировки в Национальном Институте Наук оМатериалах (NIMS, Tsukuba, Japan), проводившейся в соответствии сдоговором, заключенным между МГУ и NIMS. В качестве подложек длясоздания приборных структур использовался кремний, покрытый слоемоксида толщиной в 300 нм. Подробно процедуры изготовления иизмерения параметров этих устройств изложены в шестом параграфе.10В завершении данной главы приводятся результаты детальногосравнительного исследования разнообразных углеродных материаловметодом КРС. Целью этой работы было создание базы данных КРСспектров, которая использовалась в дальнейшем для классификацииполучаемыхуглеродныхпленок.Основнаячастьобразцов,использовавшихся при создании этой базы данных, была изготовленаметодом плазмохимического осаждения при варьировании основныхпараметров синтеза (температура, концентрация метана, время процессаосаждения и тип подложки).
Кроме этого использовались образцыуглеродныхматериаловизвестногосостава,включаяквазимонокристаллический алмаз, алмазные порошки микронного размера,наноалмазные порошки, синтезированные методом взрыва, различныетипы каркасных графитных материалов (фуллерены, нанотрубки).В третьей главе описаны результаты исследований, направленныхна выяснение механизмов образования графита и алмаза, а также ихвзаимной трансформации в процессе плазмохимического осаждения.Также в этой главе представлены оригинальные результаты по разработкеметодов получения графитных пленок нанометровой толщины, а такжерезультатыисследованийихструктурно-морфологическихитопологических особенностей.В первом параграфе представлены результаты комплексногоисследования различных углеродных пленок, состоящих из наноразмерныхкристаллитовалмазаилиграфита,полученныхметодомплазмохимического осаждения по оригинальной методике, описанной впредыдущей главе.В частности в данном параграфе показано, что формированиемезопористых графитных пленок, состоящих из пластинчатыхкристаллитов нанометровой толщины с преимущественной ориентациейих базовых плоскостей перпендикулярно поверхности подложки (рис.
1а)происходит как на кремнии, так и на никеле. Однако образование графитана никеле происходит при более низких температурах и концентрацияхметана и без предварительной обработки подложек с целью внесениянуклеационных центров, что обычно делается для кремниевых подложек.Таким образом, снижение температуры и использование в качествеподложек никеля позволяет существенно усовершенствовать практическоеприменение мезопористых нанографитных пленок и использовать вкачестве подложек относительно тонкие слои металла, нанесенные надиэлектрик (кварц, керамика и т.п.).В следующем параграфе обсуждается механизм образованияграфита из алмаза в процессе плазмохимического осаждения.Согласно результатам, изложенным в предыдущем параграфе,графитные наноструктурированные плёнки образуются как накремниевых, так и на никелевых подложках, хотя параметрыкристаллической решётки этих материалов отличны друг от друга.Близость параметров кристаллических решеток кремния и алмаза11позволяет, при определённых условиях, получать как графитные, так иалмазные кристаллические пленки.
Значительное отличие параметроврешетки никеля от алмаза приводит к возникновению значительныхмеханических напряжений и спонтанному отделению алмазных пленок отникелевых подложек при их остывании до комнатной температуры. В тожевремя близость параметров решётки никеля и графита создаетвозможность формирования высокоупорядоченных слоев графита.Типичное РЭМ изображение одной из таких пленок, полученных наникелевой подложке, представлено на рис.1а.
Детальный анализграфитных пленок на разных подложках показал, что в случае никеляграфитные чешуйки крепятся непосредственно к поверхности подложки, ав случае кремния их рост начинается с промежуточного наноалмазногослоя, наличие которого, рис. 2. может быть связано с тем, что на начальнойстадии процесса осаждения пленки температура и концентрация метананесколько отличаются (ниже) от тех, при которых может происходить ростграфитныхструктур.Вотличиеотэтогоформированиенаноструктурированной графитной плёнки на никеле происходит безобразования промежуточного наноалмазного слоя.Рис.
2 РЭМ изображения образцаграфитной плёнки полученной вкоротком процессе ГФХО накремневой подложке в месте скола.Кроме этого было обнаружено, что при использовании никелевыхподложек сокращение времени осаждения ведет к получению пленок ссущественно другой топологией поверхности. Методами КРС иэлектронной микроскопии было установлено, что данный материалпредставляет собой плёнку толщиной в несколько нанометров, состоящуюиз квазимонокристаллических слоев графита с базовыми плоскостямипараллельными подложке, рис.
3.Третий параграф посвящён описанию результатов комплексногоисследованиятопологическихособенностейграфитныхпленокнанометровой толщины с использованием КРС, АСМ, РЭМ, СТМ иоптической микроскопии. Плёнки обладают сравнительно гладкойповерхностью и толщиной от 1 до 100 атомных слоёв.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
