Получение и свойства углеродных тубулярных наноструктур (1104464), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Показанные на этом рисунке РЭМизображения демонстрируют образование нанотрубок из пор в первыеминуты синтеза.Необходимо отметить, что, если на поверхности кремния на начальнойстадии синтеза возникают нанопоры низкой плотности, то в результатевместо леса из вертикально ориентированных трубок образуется массивразупорядоченных УНТ.13Рис.
7. РЭМ микрофотография поверхности кремния с углероднымматериалом, полученным при силе тока 8.4 А.В третьем параграфе представлены результаты экспериментальногоисследования, направленного на синтез УНТ с использованием катализатора.Целью исследования было получение данных для сравнительного анализапроцессов роста нанотрубок с участием катализатора и без него. В отличиеот стандартных методов, специальное нанесение каталитически активныхнаночастиц на подложку не производилось. Вместо этого в качествеподложек использовался поликристаллический никель, обладающийкаталитической активностью при росте УНТ. Характерные РЭМизображения синтезированных на никеле УНТ представлены на рисунке 8.Рис.
8. РЭМ изображение массива УНТ, полученного при осаждении наповерхность каталитически активного никеля.14Исходя из результатов РЭМ исследования, было сделано заключение:- упорядоченность массива УНТ, полученного каталитическим способом,уступает массиву УНТ, полученному безкаталитическим способом; прианалогичных условиях синтеза на каталитически активном никеле вместоупорядоченных образуются нанотрубки хаотично ориентированныеотносительно подложки;- диаметр УНТ, полученных на никеле, как правило, превосходит диаметрУНТ, полученных на кремнии, не обладающем каталитической активностью;- в составе УНТ, получаемых каталитическим способом, были обнаруженынаночатицы никеля, концентрация которых указывает на реализациютрадиционного каталитического механизма формирования УНТ.Такимобразом,втретьейглавепоказанавозможностьбезкаталитического получения на кремниевых подложках однородногомассива многостенных углеродных нанотрубок (леса УНТ) из газовой смесиводорода и метана, активированной разрядом постоянного тока.
Методамиэнергодисперсионногорентгеновскогоанализаиспектроскопииэнергетических потерь электронов показано отсутствие неуглеродных(металлических) примесей в количестве, соответствующем нанотрубкам,синтезированным традиционным каталитическим способом. Предложенмеханизм, объясняющий безкаталитический рост многостенных углеродныхнанотрубок. В соответствии с данным механизмом существенную роль вформировании нанотрубок играет образование нанопор в кремниевойподложке в результате воздействия водородной плазмы. Такие порыобразуются на начальной стадии процесса, в дальнейшем ходе которого на ихвнутренней поверхности происходит конденсация углерода и формированиетубулярных наноструктур, преобразующихся в нанотрубки.
Такжепродемонстрирована возможность каталитического получения углеродныхнанотрубок на никеле при осаждении углерода из газовой смеси водорода иметана, активированной разрядом постоянного тока. В этом случаеобразующиеся трубки содержат частицы катализатора, что свидетельствует ореализации традиционного каталитического механизма формирования УНТ.В четвертой главе представлены результаты экспериментальныхисследований, направленных на получение тубулярных структур в видескрученных призматических углеродных наносвитков (СПУН), изучение ихструктурно-морфологических свойств и определение механизмов ихформирования.
В этой главе также представлены результаты получения иисследования композитных материалов, состоящих из тубулярныхнаносвитков и наноалмаза.В первом параграфе описываются результаты исследований поопределению механизмов формирования СПУН на поверхности кремниевойподложки. Впервые эти образования были обнаружены в составемезопористых нанографитных пленок, состоящих в основном изпластинчатых кристаллитов графита. Для определения возможныхмеханизмов роста СПУН были получены серии образцов, отличающиеся15только временем осаждения. Исследование с помощью РЭМ показало, чтоСПУН формируются в результате спонтанного сворачивания вертикальноориентированных графитовых листов (Рис.
9). Другие характерныеособенности включают: высота СПУН, как правило, существенно вышесредней толщины пластинчатого слоя (включая даже начальные стадиироста); на поверхности СПУН расположены равномерно без признаковзакономерной связи с какими-либо ее топологическими особенностями;морфологические свойства соседних на подложке СПУН существенноотличаются.Рис.
9. РЭМ изображения иглоподобных образований в составенанографитной мезопористой пленки: (а) РЭМ изображение скола (времясинтеза около 10 минут); (б) РЭМ изображение отдельной СПУН (времясинтеза около 10 минут). (в) РЭМ изображение СПУН, полученного привремени синтеза более 60 минутВо втором параграфе представлены результаты экспериментальныхисследований, в ходе которых были получены композитные материалы ввиде СПУН, выращенных на поверхности наноалмазной пленки.В результате вариации процессов осаждения были получены наноалмазныепленки с внедренными в них наносвитками с полигональным поперечнымсечением.
Синтез осуществлялся на стандартных 25×25 мм 2 кремниевых16подложках Si (100) методом плазмохимического осаждения при такойконфигурации электродов, в которой подложка находилась внепосредственном контакте с плазмой.Рис. 10. Характерные РЭМ изображения поверхности композитной пленки(а, б). РЭМ изображения скола (в, г)Геометрические характеристики наносвитков внедренных в наноалмазнуюпленку (см. Рис.
10) несколько отличались от геометрических характеристикСПУН, образующихся в мезопористых нанографитных пленках. Например, вотличие от последних длина и диаметр некоторых внедренных СПУНпревышала 50 мкм и 150 нм, соответственно (ср., обычно длина ~ 1-3 мкм идиаметр ~ 50 нм). Кроме того, СПУН в наноалмазных пленках былипреимущественно направлены вертикально поверхности подложки. Такиегеометрические характеристики и ориентация позволили впервыеэкспериментальноподтвердитьуникальноестроениеполучаемыхтубулярных образований в виде свитка призматической формы (см.
Рис. 11).17Рис. 11. РЭМ изображения углеродных "призматических" наносвитков сярко выраженными гранями и ребрамиВ третьем параграфе описываются результаты систематическогоэкспериментального исследования зависимости параметров композитногоматериала СПУН-наноалмаз от длительности процесса осаждения. Былообнаружено, что при выбранных параметрах синтеза происходитодновременный рост наноалмазного и графитоподобного углерода (см. Рис.12).Рис. 12. Одновременное формирование наноалмазного и нанографитногоматериала после 20 минут осаждения.Совокупность полученных экспериментальных результатов позволиласделать вывод о процессе формирования СПУН, внедренных в наноалмазныйматериал.
Схематически этот процесс представлен на рисунке 13.18Рис. 13. Схема формирования композитного пленочного материала (а-г),состоящего из наноалмазной пленки с внедренными СПУН. РЭМизображения показывают (а) появление свитков как результатсворачивания графитовых листов (масштабный маркер 1 мкм), (б)поверхность наноалмаза (масштабный маркер 200 нм), (в) изображение тойобласти скола, где одновременно видна область графитоподобного иалмазоподобного материала (масштабный маркер 3 мкм)Согласно предложенной схемы, во время одновременного роста (Рис.
12)наноструктурированногоалмазаивертикальноориентированныхграфитовых листов, в областях между наноалмазными глобулярнымиобразованиями инициируется формирование наносвитков в результатеспонтанного изгибания и сворачивания графитовых листов (Рис. 13а). Повидимому, такому изгибу и сворачиванию подвержены, в первую очередь, телисты, которые оказались в процессе роста существенно выше, чем средняявысота пластинчатого слоя. В дальнейшем в ходе процесса осажденияглобулярные скопления наноалмаза разрастаются и начинают покрывать всюповерхность подложки, образуя тем самым сплошную наноалмазную пленку(Рис. 13б и 13в).
В результате, только небольшое число наносвитковостаются выступающими из пленки между шарообразными наноалмазнымиобразованиями.19ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1. Разработан новый метод плазмохимического осаждения углеродныхпленок без непосредственного контакта подложки с плазмой, спомощью которого были получены наноструктурированные углеродныематериалы различного типа. Установлена взаимосвязь междупараметрами процесса осаждения и характеристиками получаемогоуглеродного материала.2. Проведены систематические исследования плазмы с помощью методаоптической эмиссионной спектроскопии.
Установлена взаимосвязьпараметров газового разряда с пространственным распределениемэлектроннойтемпературы,наличиемипространственнымраспределением концентрации димеров углерода.3. Обнаружена возможность формирования упорядоченных массивовмногостенныхуглеродныхнанотрубокбезиспользованиякатализаторов. Показано, что в случае отсутствия катализатора ростУНТ происходит на поверхности пор кремния нанометрового размера.Предложенамодель,описывающаятакоебезкаталитическоеформирование многостенных углеродных нанотрубок на кремниевойподложке.4.
Показана возможность роста скрученных призматических углеродныхнаносвитков в составе наноалмазных пленок. Проведен структурноморфологический анализ такого нанокомпозитного материала.Предложена возможная схема его формирования.5. Впервые с помощью растрового электронного микроскопа полученыэкспериментальныедоказательствавозможностиреализациипризматической структуры для нанотрубок типа «свиток»20Список публикаций по результатам, представленным в настоящейработе1. С.А. Ляшенко, А.П. Волков, Р.Р.
Исмагилов, А.Н. Образцов.Автоэлектронная эмиссия из наноалмаза. Письма в ЖТФ, 2009, том 35,№ 6, c. 1-8.2. A.N. Obraztsov, P.G. Kopylov, B.A. Loginov, M.A. Dolganov, R.R.Ismagilov, N.V. Savenko. Single crystal diamond tips for scanning probemicroscopy, Review of Scientific Instruments, 2010, 81, 013703, c. 1-4.3. Р.Р. Исмагилов, А.П.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
