Диссертация (1105539), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Предложенный и осуществленный в работе синтез эпитаксиального графена нагерманиипозволяетсформироватьмонослойквази-свободногографенанаполупроводнике, что открывает возможности использования высоко-качественногоэпитаксиального графена для массового изготовления электронных устройств,совместимых со стандартной кремниевой технологией.Результаты, изложенные в настоящей работе, использованы при разработке задачспециализированного практикума по исследованию неорганических веществ и материалов длямагистрантов Химического факультета и Факультета наук о материалах МГУ им. М.В.Ломоносова и специализированного практикума по диагностике материалов для магистрантовФакультета наук о материалах МГУ им. М.В.
Ломоносова.Публикации и апробация работыМатериалы диссертационной работы опубликованы в 10 работах, в том числе в 4 статьяхзарубежных журналов и в 6 тезисах докладов на всероссийских и международныхконференциях.Результаты работы были представлены на конференции “Российская конференция поэлектронной микроскопии 2012” (Черноголовка, Россия), Annual World Conference on Carbon2013 (Рио де Жанейро, Бразилия), 18th Microscopy of Semiconducting Materials Conference 2013(Оксфорд, Великобритания), XII International Conference on Nanostructured Materials 20149(Москва, Россия), The 16th International Conference on the Science and Application of Nanotubes2015 (Нагойя, Япония), 16th International Conference X-ray Absorbtion Fine Structure 2015(Карлсруэ, Германия), GraphITA 2015 (Болонья, Италия).Личный вклад автораВ основу диссертации положены результаты научных исследований, проведенныхнепосредственно автором в период 2012–2015 гг.
Работа выполнена в Московскомгосударственном университете имени М.В.Ломоносова на кафедре наноматериалов факультетанаук о материалах. Часть экспериментальных данных была получена в центрах синхротронногоизлучения BESSY II (Берлин, Германия) и SLS PSI (Цюрих, Швейцария), НИЦ “КурчатовскийИнтститут”приучастиик.х.н.А.А.Елисеева,Е. Клейменова, к.ф.-м.н. Я.В. Зубавичуса, А.В. Федорова, к.х.н.
Л.В. Яшиной, Prof. Dr. A.Grüneis. Теоретическое исследование методом DFT было выполнено совместно с к.х.н. А.А.Волыховым. Исследование структуры нанокомпозитов на основе ОСНТ было выполненосовместно с д.б.н. Н.А. Киселевым, к.ф.-м.н. А.С. Кумсковым, В.Г. Жигалиной, Dr. A.V.Chuvilin, к.ф.-м.н. А.Л. Васильевым, Prof. Dr.
Jeremy Sloan, Prof. Dr. John Hutchison. При этомавтор принимал непосредственное участие в подготовке и проведении измерений, а такжеобрабатывал экспериментальные данные. В выполнении отдельных разделов работыпринимали участие студенты Н.С. Фалалеев (Факультет наук о материалах МГУ) и И.И.Вербицкий (Химический факультет МГУ).Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований(грант № 12-03-01149-а), Минобрнауки РФ (соглашение № 14.585.21.0004) и Российскогонаучного фонда (грант № 14-13-00747).Объем и структура работы.Диссертационнаяработаизложенана120страницахмашинописноготекста,иллюстрирована 53 рисунками и 18 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 160ссылок.
Работа состоит из трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты иих обсуждение), выводов и списка цитируемой литературы.102. Обзор литературы2.1 Одностенные углеродные нанотрубки и нанокомпозиты на их основеОдноcтенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) были открыты в 1993 году и в данныймомент являются одной из самых интересных и многообещающих наноструктур [17], [18].Большой интерес к ним вызван в связи с их уникальной атомарной структурой, а так жевыдающимисяхимическимииэлектроннымисвойствами,такимикактепло-иэлектропроводность, а так же в связи с их механическими свойствами – высокие показателимодуля Юнга, сжимаемости и растяжения, высокая устойчивость на излом. ОСНТ проявляютмаксимальный фактор геометрической анизотропии среди всех известных наноструктур.Уникальные свойства углеродных нанотрубок (УНТ) определяются не только их необычнойтрубчатой структурой, но и тем фактом, что они практически лишены каких-либо структурныхдефектов [19]–[21].ОСНТ представляют собой свернутый в полый цилиндр графеновый лист без каких-либошвов.
Все атомы углерада в ОСНТ имеют sp2-гибридизацию и, соответственно, угол связимежду атомами составляет 120°, а длина связи С–С ac-c=0.142 нм. (рис 2.1).Рис. 2.1 Вектор хиральности Ch= na1 + ma2 и углол хиральности Θ (а). ОСНТ с различнымвектором свертки графитового слоя (б).Структура бедефектной ОСНТ полностью описывается вектором хиральности (Ch) – вектором,вдоль которого происходит свертка графенового листа.
Как видно из рис. 2.1, вследствиегексагональной симметрии графенового листа набор неприводимых друг к другу векторовограничивается сектором в 30°. В зависимости от вектора хиральности все ОСНТ относятся кнескольким типам – зигзагообразные (θ = 0°, Ch = (n, 0)), креслообразные (θ = 30° , Ch = (n, n)) ихиральные (0 < θ < 30° , Ch = (n, m)).11Электронные свойства ОСНТ полностью определяются их вектором хиральности [21].Креслообразные ОСНТ и зигзагообразные с вектором хиральности (n, 0), n = 3k (где k – целоечисло) – обладают металлическим типом проводимости, а при n ≠ 3k – полупроводниковым. Врезультате граничных условий, накладываемых на графеновый лист при формировании ОСНТв их плотности электронных состояний присутствуют особенности – сингулярности ван Хова(рис 2.2).Рис.
2.2 График Катауры (а). Плотность электронных состояний металлической (б) иполупроводниковой (в) ОСНТ.На рис. 2.7 показаны электронные плотности состояний для (10,10) и (12,8) ОСНТ. Можновидеть, что на уровне Ферми для металлической нанотрубки имеется конечная плотностьсостояний,адляполупроводниковой–энергетическаящель.Расстояниямеждусингулярностями ван Хова зависят от диаметра нанотрубок и формируют разрешенныеэнергетические переходы, характеристические для трубок определенной хиральности.Благодаря уникальной атомной структуре и электронным свойствам УНТ занимаютважное место как перспективный объект в разработке элементов наноэлектроники (устройствапамяти, эмиттеры, нанопровода и пр.), наноэлектротехнических систем, наполнителейнанокомпозитов (нацеленных на увеличение прочности и функциональности объемныхматериалов), зонды для сканирующей зондовой микроскопии и т.д.
Одной из важнейшихобластей технологического применения ОСНТ стала разработка нового поколения полевыхтранзисторов [22].12Модификация нанотрубок позволяет напрямую регулировать их электронные свойства.Одним из простейших способов управляемой модификации ОСНТ является заполнение каналовнанотрубки соответствующими соединениями [23]. Введение вещества в нанотрубку можетпривести как к полному изменению зонной структуры нанотрубки (в случае еслиинкапсулируемое вещество активно взаимодействует со стенками нанотрубки, напримерфторированные ОСНТ), или же только к смещению электронной плотности в приближениимодели жестких зон [24], [25].
В простейшем случае, если донор электронов с уровнем Фермирасположенным выше чем уровень Ферми ОСНТ вводится в металлические нанотрубки, тоэлектронная плотность на стенках нанотрубок, а так же проводимостьнанокомпозита,повышаются, в то время как электронный акцептор с уровнем Ферми расположенным ниже чемуровень Ферми ОСНТ будет снижать электронную плотность на ОСНТ, а также можетиндуцировать переход нанокомпозита в полупроводниковое состояние [26]–[28]. Такимобразом, подход, основанный на переносе электронов при введении электронодонорных илиэлектроноакцепторных соединений (металлы, полупроводники, диэлектрики) в каналыодностенных углеродный нанотрубок,позволяет контролировать электронную структуруОСНТ, а так же создавать p-n переходы внутри одной нанотрубки, если каналы частичнозаполнены.Синтез заполненных нанотрубок был впервые описан Ajayan и Iijima в 1993 году, онииспользовали многостенные нанотрубки как «молекулярные контейнеры» для свинца [29].
Этиэкспериментальные результаты подтвердили теоретические предположения о существованиидостаточно сильных капиллярных сил внутри углеродных нанотрубок, которые могутудерживать газы или жидкости внутри каналов [30]. Позже другие исследователи разработали иприменили этот подход для заполнения углеродных нанотрубок различными галогенидамиметаллов MII (MI = Li, Na, K, Cs, Rb, Ag), MIII2 (MII = Ca, Cd, Co, Sr, Ba, Fe, Pb, Hg), MIIII3 (MIII =La, Ce, Pr, Nd, Gd), (Te/Sn)I4, Al2I6, AgClxBryIz, MICl (MI = Na, Cs, Ti), MIICl2 (MII = Cd, Fe, Co,Pd), MIIICl3 (MIII = La, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb), MIVCl4 (MIV = Hf, Th, Zr, Pt), Al2Cl6, (Th/V)Cl6,элементарными соединениями (S, Se, Te, I2, Cs, Re, Bi, Pt, Au, Ru, Fe, Ag), фуллеренами (C60, C70,C80), эндофуллеренами (Gd@C82), (KCl)x(UCl4)y, оксидами (RexOy, V2O5, Sb2O3, CrO3, PbO, UO2,ZrO2, MoO2, NiO, CdO, La2O3), металлами (Pd, Pt, Cu, Ag, Au), гидроксидами (KOH, CsOH), ихалькогенидами (SnSe, HgTe and CdBr2-xTex) [24], [26], [31]–[39].В настоящий момент используется несколько методов заполнения нанотрубокразличными соединениями, которые разделяются на две большие группы: заполнениенанотрубок во время их роста (так называемый метод in situ) и инкапсуляция из газовой илижидкой фазы в полости заранее приготовленных углеродных нанотрубок (метод ex situ) [38].132.1.1 Заполнение в процессе ростаПростейшим из всех методов инкапсуляции нанотрубок, предложенных на сегодняшнийдень, является заполнение ОСНТ в процессе каталитического роста (in situ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
