Рост углеродных нанотрубок CVD методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Обработка катализатора (необходима для того, чтобы сформировать наночастицы катализатора, частицы размером 1 - 5 нм провоцируют рост ОСУНТ, частицы размером от 5 - 10 до 50 - 70 нм провоцируют рост МСУНТ).
CVD синтез УНТ (в зависимости от CVD методики, это может быть выполнено в широком диапазоне температур: 100 - 400 oC для PECVD и 750 - 950 oC для термального CVD. В качестве источника углерода газовая смесь может содержать: CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, C6H6, C2H5OH, CO; и в качестве функционального компонента для создания итоговой газовой смеси могут использоваться: N2, Ar, He и в особенности H2).
Послеобработка (используется для удаления аморфных образований и для повышения структурного качества УНТ: включает обработки газами, кислотами и вакуумтемпературные обработки, пример CVD УНТ представлен на рисунке 1.15).
Рисунок 1.15 - Рост МСУНТ на подложке с заданным рисунком: а - шкала равна 50 мкм; б - шкала равна 10 мкм
На правом изображении видно, что УНТ растут подобно кустам винограда (термальное CVD при 750C на смеси катализатора Fe/Ni осаждённого на кремниевую подложку [13]).
1.5 Механизмы роста УНТ, имеющие место в методах CVD
Рост УНТ начинается на поверхности наночастиц катализатора, только после того, как они станут пресыщены атомами углерода, которые проникают в эти частицы. В зависимости от адгезии частиц катализатора к подложке может выполняться два разных механизма роста: 1) рост от основания (сильная адгезия, частицы остаются на поверхности подложки) и 2) рост на конце (слабая адгезия, частицы катализатора поднимаются вверх растущими под ними УНТ), (рисунок 1.16).
Рисунок 1.16 - Рост УНТ на конце (а), и рост УНТ от основания (б) [13]
Рост от основания не является предпочтительным, так как в этом случае невозможен продолжительный рост. Рост прекратится, когда выросшие массивы УНТ воспрепятствуют проникновению новых углеродосодержащих молекул к частицам катализатора.
УНТ значительно большей длины могут быть синтезированы в случае, когда частицы катализатора отрываются от поверхности, и рост происходит на концах растущих нанотрубок. Первым ограничивающим фактором роста в этом случае является состояние наночастиц катализатора, форма которых и химических состав изменяются с течением времени, что влияет на каталитические свойства и, следовательно, на структуру растущих УНТ. Другими словами: чем выше будет контроль условий роста, тем более контролируема будет структура растущих УНТ. Вторым фактором является адгезия нижних концов УНТ к подложке, так как если адгезия будет слаба, то будут происходить отрывы трубок, ведущие к беспорядочной ориентации.
1.6 Методы исследования УНТ
Для исследования образцов, содержащих УНТ, могут быть использованы следующие методы: электронная микроскопия, атомно-силовая и сканирующая-туннельная микроскопии, Рамановская спектроскопия, измерения электропроводности, дифракция рентгеновских лучей и термоэлектрические измерения [13, 14].
1.6.1 Электронная микроскопия
Отдельные УНТ нельзя увидеть с помощью оптической микроскопии, потому что длины волн видимого диапазона значительно больше диаметра УНТ. Для того, чтобы увидеть отдельные УНТ необходимо разрешение, соизмеримое с 0.1 нм.
Электронная микроскопия позволяет визуализировать нанотрубки благодаря разрешениям менее одного нанометра. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) пригодна для исследования массивов УНТ, массивы ОСУНТ, МСУНТ и частицы катализатора могут быть исследованы этой методикой. РЭМ в некоторых случаях позволяет оценить длину УНТ и степень их загрязнения аморфными образованиями.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) подходит для визуализации отдельных ОСУНТ и МСУНТ, позволяет точно определить толщину ОСУНТ, посчитать количество стен в МСУНТ, определить хиральный угол и оценить степень легирования УНТ инородными атомами.
1.6.2 Сканирующая зондовая микроскопия
Эта методика незаменима при исследовании УНТ. С помощью данной методики возможно измерение механических, электрических и магнитных свойств. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет визуализировать отдельные УНТ благодаря разрешениям, превышающим 1 - 5 нм. Пример того, как могут быть изучены механические свойства УНТ, представлен на рисунке 1.17. Сканирующая-туннельная микроскопия позволяет оценить атомарную структуру УНТ.
Рисунок 1.17 - УНТ располагается на сапфировой мембране (а), УНТ подвергается механическому воздействию со стороны зонда (б) [13]
1.6.3 Рамановская спектроскопия
Рамановская спектрометрия даёт обширную информацию об УНТ, потому что Рамановские спектры УНТ содержат особенности, присущие только УНТ:
Для обычного графита G-полоса наблюдается на частоте 1580 см-1. В случае УНТ эта полоса разделяется на два пика, что является следствием ограниченности волнового вектора по двум осям. Металлические трубки могут быть легко опознаны по широкой и асимметричной линии G--пика. Для металлических трубок уширение G - пика достаточно сильно и может достигать 100 см-1 для труб малого диаметра, в то время как частота G+-пика остаётся постоянной для металлических и полупроводниковых труб различного диаметра (рисунок 1.18 а, б и в).
D-пик соответствует разупорядочённому углероду. Этот пик располагается между частотами 1330 и 1360 см-1. D-пик присутствует во всех аллотропиях углерода, включая sp3 и sp2 аморфный углерод. Для высококачественных УНТ образцов, отношение ин?/p>