Способ получения углеродных наноструктур
Владельцы патента RU 2355625:
Московский инженерно-физический институт (Государственный университет) (RU)
Изобретение относится к способам получения углеродных наноструктур, таких как углеродные глобулы и углеродные нанотрубки различной формы, которые могут быть использованы в наноэлектронике в качестве частей электронных микросхем и приборов на их основе с субмикронными рабочими элементами - нанотранзисторы, нанодиоды, нанокатоды. Способ получения углеродных наноструктур включает магнетронное напыление на подложку при постоянном токе в вакуумной камере в атмосфере инертного газа углеродных пленок с нанотрубками. При этом используют подложку, выполненную с заданными выступающими неровностями ее поверхности. Перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла. Технический результат - получение нанотрубок различной формы, таких как Х- и Y-образные нанотрубки, а также глобул из вертикально ориентированных нанотрубок. 9 ил.
Изобретение относится к области вакуумной техники и технологии получения углеродных наноструктур, таких как углеродные глобулы и углеродные нанотрубки различной формы, которые могут быть использованы в наноэлектронике в качестве частей электронных микросхем и приборов на их основе с субмикронными рабочими элементами - нанотранзисторы, нанодиоды, нанокатоды.
Известен способ получения углеродных нанотрубок путем отжига графитовой бумаги [1], который заключается в том, что подложка из графитовой бумаги покрывается катализатором и помещается в вакуумную камеру, где происходит отжиг подложки с последующим образованием нанотрубок на поверхности подложки и в приповерхностных слоях. Однако известный метод не предполагает ориентированного роста углеродных нанотрубок и роста Х- и Y-образных нанотрубок.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ получения углеродных нанотрубок путем магнетронного напыления [2], который заключается в том, что углеродные пленки с нанотрубками осаждаются на поверхность подложек путем магнетронного напыления. Этот способ так же не гарантирует образования Х- и Y-образных углеродных нанотрубок.
Технический результат в предлагаемом изобретении заключается в получении углеродных глобул (нанокурганов) и углеродных нанотрубок различной формы.
Это достигается тем, что подложка, покрытая тонкой пленкой металла толщиной ~1 мкм и менее, помещается в магнетронную установку и проводится напыление углеродных пленок при постоянном токе, а также отжигом подложек из графитовой бумаги с нанесенным катализатором.
Ориентированный рост нанотрубок на поверхности глобул (нанокурганов) наблюдался при магнетронном напылении на подложку при постоянном токе в вакуумной камере в атмосфере инертного газа, выполненную с заданными выступающими неровностями поверхности, а перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла. При использовании других подложек не наблюдалось ориентированного роста углеродных нанотрубок относительно глобул.
При таком способе получения происходит рост глобул из углеродных нанотрубок на выступающих неровностях подложки, а также вертикально ориентированный рост нанотрубок относительно глобулы. Наличие катализатора позволяет получить нанотрубки различной формы - Х- и Y-образные нанотрубки, нанотрубки с «нанопочками», «ежи» из нанотрубок.
Данный способ был реализован с помощью вакуумной установки. На фиг.1 изображена схема экспериментальной установки, состоящей из вакуумной камеры 1, магнетронного узла с мишенью 2, держателя нагревателя 3, нагревателя 5 и натекателя камеры 8. Питание нагревателя (держателя подложек) осуществляется от блока питания 6, а магнетрона - от блока питания 7. В вакуумный блок установки входят форвакуумный насос 9, натекатель 10, байпасный клапан 11, форвакуумный клапан 12, диффузионный паромасляный насос с азотной ловушкой 13 и высоковакуумный затвор 14. В качестве подложек использовалась слюда, покрытая тонким слоем золота. Напыление тонкого слоя золота осуществлялось путем термического нагревания золота в вакуумной камере. После чего проводился отжиг подложек, что приводило к равномерному распределению пленки золота по поверхности слюды. В результате образовалась пленка толщиной ~1 мкм и менее.
Эти подложки помещались в вакуумную установку, и ее откачивали до давления 10-5 Торр. Далее проводилось магнетронное напыление углеродной пленки в остаточной атмосфере инертного газа.
В качестве подложки также использовался алюминий, поверхность которого представляла собой дорожки с заданной шириной 0,74 мкм. Эти подложки также покрывались тонкой пленкой золота и отжигались. После чего проводилось магнетронное напыление углеродной пленки с нанотрубками.
Другим видом подложки, выполненной из материала с заранее заданной структурой, является поликор, покрытый пленкой хрома толщиной порядка нескольких микрометров. Кроме того, на поверхность хрома термически наносилась пленка золота, после чего проводилось магнетронное напыление.
Структурные свойства полученных образцов исследовались на сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) НТК «Умка», просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEM-2000EXII, атомно-силовом микроскопе (АСМ) Veeco MultiMode V и растровом электронном микроскопе FEI Quanta 3D (РЭМ).
С помощью СТМ, ПЭМ и РЭМ были изучены полученные нанотрубки. Наблюдались как отдельные нанотрубки, так и связанные по несколько нанотрубок вместе - прообразы жгутов из нанотрубок (фиг.2). Кончики нанотрубок, как правило, конусовидные, иногда в виде усеченного конуса. Реже встречаются нанотрубки с круглыми шапочками - половинками фуллеренов или открытые нанотрубки.
Многостенные нанотрубки Y-образной формы, достаточно крупные по диаметру 300-400 нм, наблюдались на подложках алюминий/золото (фиг.3).
Методами ПЭМ на подложках золото/слюда были обнаружены X-подобные углеродные нанотрубки. Они имели вид двух нанотрубок с малым диаметром, сросшимся в одну с большим диаметром (фиг.4).
Методами ПЭМ на подложках золото/слюда были выявлены нанотрубки разветвленного вида и нанотрубки с фуллеренами, с так называемыми нанопочками (фиг.5).
Радиальные многостенные нанотрубки вырастали по нормали, по-видимому, к частице YC2 и имели форму «морского ежа» (фиг.6). Эти нанотрубки имели диаметр ~16 нм и длину свыше 100 нм. Они наблюдались на подложках из стекла и при напылении в качестве катализатора выступал Y.
Непосредственно наблюдались глобулы (нанокурганы) из нанотрубок (фиг.7). Из изображений, полученных на сканирующем туннельном микроскопе, (фиг.7) видно, что глобулы из нанотрубок образуются локально на поверхности образца. Из профиля глобулы, полученной на сканирующем туннельном микроскопе, (фиг.8) видно, что она обладает зоной захвата вокруг себя глубиной около 30%. Изображения, полученные на сканирующем туннельном микроскопе, (фиг.9) позволяют установить, что нанотрубки вырастают перпендикулярно поверхности глобулы. Диаметры нанотрубок в глобулах составляют 10-20 нм, а длина 50-200 нм.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать углеродные наноструктуры с нанотрубками различной формы, ориентированные вертикально относительно подложки, в необходимых количествах без использования взрывоопасных веществ (углеводородов и т.п.) и сложных установок при малых затратах.
Список литературы
[1] Антоненко С.В., Малиновская О.С., Мальцев С.Н., RU 2005121457, 11.07.2005.
[2] Антоненко С. В., Мальцев С.Н., RU 2218299 С1, 17.07.2002.
Способ получения углеродных наноструктур, включающий магнетронное напыление на подложку при постоянном токе в вакуумной камере в атмосфере инертного газа углеродных пленок с нанотрубками, отличающийся тем, что используют подложку, выполненную с заданными выступающими неровностями ее поверхности, а перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла.
