Рост углеродных нанотрубок CVD методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ост: лазерное излучение испаряет графитовую мишень (с катализатором или без), которая расположена в вакууме и в печи при 1200 oC в потоке инертного газа, испарения затем осаждаются на водоохлаждаемом коллекторе и должны содержать УНТ.
Рисунок 1.12 - Иллюстрация аппаратуры для лазерной абляции [23]
В отсутствии катализатора получаются преимущественно МСУНТ длиной около 300 нм. Количество и структурное качество сильно зависит от температуры печи. Наилучшие параметры достигаются при температуре 1200 oC. При более низких температурах выход УНТ снижается и в УНТ появляется большое количество дефектов [13]. Если в графитовую мишень добавить несколько массовых процентов катализатора, то ситуация меняется и в саже будут иметься преимущественно ОСУНТ. Выход ОСУНТ сильно зависит от типа катализатора, и увеличивается с увеличение температуры печи. ОСУНТ, получаемые лазерной абляцией, имеют диаметр, часто равный 1.2 нм, они слеплены в связки 20 - 25 нм и могут достигать от десятков до сотен микрометров в длину (рисунок 1.13). Особенностью ОСУНТ, получаемых лазерной абляцией, является их высокое совершенство и чистота по сравнению с другими методами. Но, это преимущество действует только для случаев, когда необходимо высокое качество ОСУНТ. Если нужен высокий выход ОСУНТ, то ОСУНТ, получаемые в дуговом разряде, оказываются даже чище, чем это может обеспечить лазерная абляция [13].
Рисунок 1.13 - ПЭМ изображение ОСУНТ, полученных лазерной абляцией, на изображении видны аморфные углеродные образования и частицы катализатора
1.4.3 CVD Методы
Дуговой разряд и лазерная абляция требуют высоких температур, нужных для испарения твёрдого углеродного источника, в то время как в CVD методах используется каталитическое разложение углеродосодержащих газов. По этой причине CVD методы обеспечивают более низкие температуры синтеза УНТ.
CVD рост УНТ может быть выполнен только в присутствии наночастиц металлического катализатора, которые могут располагаться на подложке. Важно отметить тот факт, что CVD синтез углеродных нанотрубок происходит именно на металлических наночастицах благодаря каталитическому разложению углеводородов на переходных металлах. На рисунке 1.14 представлено зарождение УНТ на наночастице металла.
Практически все CVD методики позволяют синтезировать УНТ на подложках с заданным рисунком из катализатора, более того, синтез вертикально ориентированных УНТ при подаче отрицательного потенциала к подложке (PECVD позволяет получать более высокую степень вертикальной ориентации, чем thermal CVD), это невозможно в методах дугового разряда и лазерной абляции.
Рисунок 1.14 - Зарождение УНТ на наночастице металла; моделирование с использованием классической молекулярной динамики
Возможность точно контролировать морфологию каталитических частиц и условия, в которых они находятся во время синтеза, позволит контролировать структуру растущих трубок.
CVD оборудование является достаточно простым в своей конструкции: оно включает кварцевую трубу, расположенную внутри протяжной печи, где имеется возможность поддержания 1 oC вдоль 25 сантиметровой дистанции. До синтеза камера заполнена инертным газом, по достижении температуры синтеза в камеру подаётся углеродосодержащий газ. После синтеза, во время охлаждения, инертный газ используется снова, так как при высоких температурах в атмосфере воздуха УНТ могут быть повреждены [13].
Для синтеза УНТ могут быть использованы как CVD реакторы с холодными, так и с горячими стенками. Но реакторы с холодными стенками из полупроводниковой индустрии, где подложка подогревается снизу, не встречаются в литературе. Это объясняется тем, что рост УНТ обуславливается каталитическим разложением углеводородов на наночастицах металла в температурном диапазоне 500 - 1000 oC и не зависит от диссоциации молекул углеводорода при этих температурах [13].
Исследования с помощью масс-спектрометрии для наиболее распространённых температур CVD синтеза УНТ (900C) подтверждают, что диссоциация молекул углеводорода очень мала, а рост происходит благодаря каталитическому разложению на поверхности наночастиц. В результате температура CVD синтеза УНТ не может быть ниже 500C. Это минимальная температура для активации каталитического эффекта, провоцирующего рост УНТ.
Основываясь на аргументах предыдущего абзаца, можно сделать вывод, что низкотемпературные преимущества PECVD могут не проявиться в синтезе УНТ. Но тем не менее, результаты PECVD подтверждают, что рост УНТ и УНВ возможен даже при температурах 120C [13]. Синтез УНТ в PECVD реакторах обычно происходит при давлениях 1 - 20 мм. рт. ст.
CVD синтез УНТ может быть гомогенным и гетерогенным. В случае гомогенных процессов в реакционную камеру подаётся как углеродосодержащий, так и металлосодержащий газ, но этот подход редко используется. О гетерогенных процессах говорят, когда имеются твердые частицы металла катализатора и углеродосодержащий газ. Далее, в данной работе, речь будет вестись только о гетерогенных CVD процессах.
Чистота УНТ, коммерчески производимых сегодня (ОСУНТ и МСУНТ после процессов очистки) CVD методами, составляет 95 - 98% [11].
CVD рост УНТ требует несколько стадий:
Приготовление катализатора (включает методы, основанные на применении растворов металлов, солей металлов или физические методы для осаждения катализатора: электронное испарение, термическое испарение, магнетронное распыление и лазерная абляция).