Рост углеродных нанотрубок CVD методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Введение
Углеродные нанотрубки (УНТ) впервые открыты относительно недавно, в 1991 году [1]. Международная литература (книги и статьи [2 - 10]), указывает на возможность и обоснованность использования данного материала практически во всех сферах человеческой деятельности, начиная от лёгких и прочных композитных материалов, специальных покрытий, и заканчивая электронными устройствами, наноразмерными датчиками и устройствами. Возможно что на основе УНТ можно придумать что-то новое, и улучшить множество вещей, которые используются в повседневной жизни. На сегодняшний день, ожидания от УНТ очень высоки.
Уже сегодня УНТ используются в патентованных продуктах [11], и экспериментально синтезируются по всей планете, но несмотря на это, ещё далеко до момента, когда УНТ станут мощным инструментом в руках человека.
Главной нерешённой задачей на сегодня является понимание механизмов роста, что нужно для контролируемого роста. Это очень сложно. Во-первых, потому что факторов влияющих на рост УНТ чрезмерно много, во-вторых, потому что сами трубки очень малы, их структура характеризуется нанометровым диапазоном.
Для того что бы начать элементарные исследования связанные с УНТ, необходимо прежде всего научиться их синтезировать. Это можно сделать различными способами и с различными результатами.
В литературных источниках нет завершённой информации, позволяющей сразу синтезировать УНТ, поэтому в данной работе будет предпринята попытка синтезировать УНТ в CVD реакторе. Наихудший ожидаемый результат, это синтез углеродных нановолокон (УНВ); наилучший ожидаемый результат, синтез различных образцов УНТ, позволяющих оценить влияние переменных параметров синтеза. Возможно что ещё какая либо ценная информация будет получена.
Цель работы:
Поиск условий роста УНТ для методики использованной в данной работе.
Задачи:
)Изучение и анализ литературы, связанной с синтезом УНТ.
)Приготовление подложек, содержащих на своей поверхности катализатор роста УНТ.
)Синтез УНТ в CVD реакторе.
)Исследование получаемых образцов.
)Сделать заключение по аспектам синтеза УНТ.
1. Литературный обзор
1.1 Структура одностенных углеродных нанотрубок
углеродный нанотрубка синтез подложка
Первыми были открыты многостенные углеродные нанотрубки (МСУНТ), японским исследователем компании NEC Иижимой [1], и через 2 года одностенные (ОСУНТ) [12].
Представить ОСУНТ очень просто, она состоит из графенового листа свёрнутого в цельную трубку без швов. Графеновый лист имеет шестинаправленную симметрию, вследствие этого все варианты закрученности рисунка трубки можно достичь осевыми направлениями в диапазоне 0o<?<30o, относительно поверхности не свёрнутого листа. Таким образом, идеальная и бездефектная ОСУНТ полностью задана двумя параметрами: хиральным углом ? и диаметром [13]. Используя упорядоченную структуру углеродных шестиугольников в графеновом листе, можно задать некую плоскую систему координат для классификации ОСУНТ (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 - Тип ОСУНТ в зависимости от двух атомов углерода выбранных для совмещения при сворачивании
Для получения заданной трубки (0,0) - атом должен быть совмещён с (n, m) - атомом, такая трубка будет обозначаться как (n, m), (n ? m используется для удобства)
Хиральный угол ? и диаметр трубки могут быть выражены через значения (n, m):
,
где: a = 0.246 нм постоянная решётки графена [13]. В зависимости от хирального угла ? могут иметь место 3 различных структуры ОСУНТ (независимо от диаметра), (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Три типа ОСУНТ
Если в ОСУНТ имеются углеродные связи, перпендикулярные оси трубки, то такая называется кресельной; если в ОСУНТ имеются связи параллельные оси трубки, то она называется зигзагообразной; если в ОСУНТ нет связей, ни параллельных ни перпендикулярных оси трубки, то это хиральная трубка
Для того, чтобы закрыть конец открытой ОСУНТ необходимо внедрение шести углеродных пентагонов, независимо от диаметра трубки [13, 14]. ОСУНТ могут быть от 0.4 до 3 нм в диаметре, меньший диаметр не возможен из-за возникновения структурных напряжений, а ОСУНТ с большим диаметром невозможны, так как такие структуры слипаются в нетрубчатые структуры.
На практике синтезируемые ОСУНТ часто самоорганизуются в связки диаметром 10 - 30 нм, но отдельные ОСУНТ так же встречаются [13, 14] (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Изображение двух ОСУНТ, находящихся в связке (высокоразрешающая сканирующая туннельная микроскопия) [14]
1.2 Структура многостенных углеродных нанотрубок
Если несколько ОСУНТ с различным диаметром соосно совмещены, то так получится многостенная углеродная нанотрубка (МСУНТ). Диаметр МСУНТ обычно варьируется от 10 до 100 нм, но может достигать даже сотен нанометров. В случае очень толстых МСУНТ, они теряют свои уникальные свойства, так как внешние слои имеют большой радиус кривизны, и, следовательно, имеют свойства, близкие к свойствам графита [14]. Анализ статей о МСУНТ показал, что рост бездефектных МСУНТ редко имеет место [15 - 20]. Например, возможно образование бамбукоподобных или ёлкоподобных волокон, рисунок 1.4, или аморфных волокон. Поэтому прежде всего нужно определиться с номенклатурой. Далее, все многослойные структуры, имеющие длинную протяжённую полость, будут называться МСУНТ, любые другие структуры, многослойные, но не имеющие полость, будут наз