Формирование углеродных пленок из газовой фазы (1105140), страница 4
Текст из файла (страница 4)
5. На рис. 6 приведены зависимости ne(z) и ni(z). Длянаглядности указанные зависимости показаны в области непосредственновблизи анода, т.к. при удалении от анода они выходят на постоянные значения.E(z), V/μm0,0300,025ne/no0,0200,015ni/no0,0100,0050500100015002000z, μmРис. 5. Зависимость величинынапряженности электрического Eполя от расстояния до анода.z, μmРис. 6. Изменение концентраций ионов(пунктир) и электронов (сплошная линия)от расстояния до анода.Из рис. 5 видно, что расстояние, на котором происходит существенное18падение поля, составляет порядка 100 μm. При этом поле вблизи анодапримерно в 3.5 раза больше поля в положительном столбе и составляет около0.024 V/μm.
В пределах этой области происходит также основное изменениеконцентрации электронов и ионов (см. рис. 6). В рассмотренном одномерномслучае поверхность анода предполагается плоской, что, вообще говоря,неверно для подложки с растущей на ее поверхности наноуглеродной пленкой.При достаточной высоте формирующихся на поверхности пластинчатыхкристаллитов графита электрическое поле будет концентрироваться на ихвершинах.
Соответствующее усиление напряженности электрического поляможно оценить, как Eloc=L/r·E, где L – высота, а r- радиус вершинынаноуглеродного образования. Анализ литературных данных показывает, что вусловиях аналогичных рассматриваемым, при напряженности поля E>0.07V/μm происходит ориентированный рост углеродных нанотрубок. Этопозволяет предположить, что ориентирующее влияние поля возможно длянаноуглеродных образований (нанокристаллитов графита или углеродныхнанотрубок) при достижении ими достаточно большой высоты относительноподложки. В то же время на начальной стадии роста величина поля явнонедостаточнаопределеннойдляприданияориентации.зародышамСравнениенанографитныхэкспериментальныхкристаллитовданныхирезультатов вычислений с литературными данными позволяет оценитькритическую длину наноуглеродных образований, после превышения которойвозможно ориентирующее действие электрического поля: для r=10 nmкритическая длина составляет Lcr≈30 nm.
По мере достижения критическогоразмера частью образующихся нанографитных структур будет происходитьперераспределение электрического поля, в результате чего ускорится росткристаллитов с максимальными размерами, а рост остальных зародышей будетподавляться. При этом на растущие кристаллиты будет оказыватьсяориентирующее воздействие со стороны электрического поля в прианоднойобласти. Принимая во внимание, что протяженность этой области составляетоколо 100 μm и существенно больше размеров получаемых кристаллитов (1-2μm), это ориентирующее воздействие оказывается до окончания процесса роста19пленки.
Такой самоорганизующийся процесс роста приводит к возникновениюспецифической структуры нанографитных пленок. Полученные результатыуказываютнавозможностьполучениянанографитныхкристаллитовсущественно большей длины за счет увеличения длительности процессаосаждения.В пятом параграфе результаты, описанные в предыдущих параграфах,дополняются данными РЭМ (рис.7) и КРС о структурно-морфологическихособенностях и фазовом составе наноструктурированных углеродных пленоквыращенных на кремниевых подложках с различным временем осаждения от 2до 120 минут.Рис. 7. Изображения углеродных пленок с различным временем осаждения,полученные с помощью растровой электронной микроскопии.Полученные результаты позволяют условно выделить три стадии впроцессе их формирования: (1) формирование тонкой наноалмазной пленки впервые минуты процесса осаждения; (2) последующий рост глобулоподобныхнаноалмазныхобразований;(3)формированиенанокристаллическойграфитоподобной пленки.
Описанные в четвертом параграфе результатыпозволяют утверждать, что после достижения некоторого критического размераграфитоподобныекластерыспособны20преобразовыватьсявплоскиеграфитоподобные слои атомов углерода, ориентированные перпендикулярноподложке.
При достижении ими некоторых критических размеров, такие слоимогутсамопроизвольно(илиподдействиемфакторов,определяемыхпроцессом осаждения) сворачиваться, формируя, таким образом, объектыаналогичные углеродным нанотрубкам или создавая зародыши для ихпоследующего роста.Наконец шестой параграф посвящен описанию метода получения исвойствуникальногоуглеродногоматериала–сверхтонкихпленоквысокоупорядоченного графита.
Изображения такой пленки, полученныеметодами АСМ и РЭМ приведены на рис.8 и рис. 9, соответственно. Данные,полученныеметодамирастровойтуннельноймикроскопии(отчетливопроявляется упорядоченная атомная структура) и КРС (отсутствует D-линия,характернаядлясвидетельствуютдефектововысокойкристаллическойстепениструктурыупорядоченноститакихграфита)пленок.Наблюдаемая с помощью АСМ и РЭМ топология поверхности таких пленок ввиде относительно гладких участков (с характерным размером порядка 2 мкм),разделенных складками (высотой около 50 нм) объясняется различиемкоэффициентов теплового расширения (КТР) графита и никеля.Рис. 8.
АСМ изображениемонокристаллической графитной пленкиРис. 9. РЭМ изображение монокристаллическойграфитной пленкиПроведенные численные оценки показывают, что в результате различияКТР при остывании образца от температуры осаждения (около 1200К) до21комнатной, разница в изменении поперечных размеров никеля и графитасоставляет величину примерно равную периметру складок, наблюдаемых наповерхности пленок.В четвертой главе представлены результаты исследования некоторыхуникальных свойств наноуглеродных материалов.Одно из таких уникальных свойств состоит в высокой эффективностиавтоэлектроннойэмиссииизнанографитныхпленок,состоящихизкристаллитов, ориентированных перпендикулярно подложке.
Такая эмиссияпредставляет большой практический интерес, а также может использоваться вкачестведополнительногоматериала.Вданнойметодаработеанализаструктурныхисследованияособенностейпроводились,методомавтоэмиссионной сканирующей зондовой микроскопии (SAFEM). Результатыпредставляют собой распределение в плоскости образца величины напряжения,требуемого для достижения заданного тока автоэлектронной эмиссии V(x,y).При этом автоэмиссионный ток через зонд и расстояние между зондом иповерхностью катода были постоянным и составляли, соответственно, I=20 нAи d=13 мкм.ИспользуяэкспериментальныеданныеSAFEM,былирассчитанызависимости коэффициента локального усиления поля β(x,y), (см.
рис. 10).Рис. 10. Слева – зависимость β(x,y), соответствующая зависимости V(x,y).Справа – статистическое распределение f(β) на данном участке поверхностиавтоэмиссионного катода, изготовленного из наноуглеродной пленки.22В соответствии с этими данными, автоэлектронная эмиссия происходит изэмиссионных центров, равномерно распределенных по поверхности катода. Этиэмиссионные центры могут быть идентифицированы по положению локальныхмаксимумов функции β(x,y) (показаны на рис.
10 белыми крестиками). Нарисунке справа показана функция распределения f(β) эмиссионных центров,найденных таким образом. При этом величина β для каждого эмиссионногоцентра определялась в точке максимума. Плотность эмиссионных центров дляисследованных образцов, как правило, составляет 105 см-2.Учитывая,чтоданнаяметодиканесколькозанижаетколичествоэмиссионных центров, эти данные означают, что полученные нанографитныепленки удовлетворяют требованиям, предъявляемым для холодных катодов, наосновекоторыхвозможнопостроениеплоскихдисплеевсвысокойразрешающей способностью.Другая уникальная особенность графитных пленок, иследование которойпредставлено в данной главе, проявляется в комбинационном рассеянии света.В графите возможна реализация резонансного КРС, при котором в спектрахпроявляется рассеяние на фононах с большими импульсами, которые обычнонеучаствуютвКРС.Из-заспецифическогоэлектрон-фононноговзаимодействия положение соответствующих линий КРС зависит от длиныволны возбуждающего лазерного излучения.
Также необычным является то,что КРС второго порядка на частотах, соответсвующих этим фононам,оказывается более эффективным, чем КРС первого порядка. Ранее этиособенности исследовались для углеродных нанотрубок и для образцовграфена, полученных расщеплением монокристаллов. В данной работе впервыебыл выполен анализ этих особенностей КРС в нанографитных мезопористыхпленках и в тонких слоях высокоупорядоченного графита. Результаты данныхисследованийхорошосогласуютсяслитературнымиданнымиисвидетельствуют о высокой степени кристаллографического упорядоченияполучаемых наноструктурированных форм графитных материалов.23Основные результаты работы:1) Создано экспериментальное оборудование, разработаны методики дляполучения углеродных пленок из газовой фазы, активированной разрядомпостоянного тока, включающие в себя средства для анализа состава и другихпараметров газоразрядной плазмы с помощью оптических эмиссионныхспектров.2)ОбнаруженакорреляциямеждусодержаниемдимеровС2вгазоразрядной плазме и формированием углеродных пленок с графитнымтипом структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
