Получение и свойства углеродных тубулярных наноструктур

• Автор: Исмагилов, Ринат Рамилович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Получение и исследование наноуглеродных пленок (литературный обзор)

1.1. Общие сведения о структуре углеродных материалов

1.2. Получение наноуглеродных материалов

1.3. Методы исследования наноуглеродных материалов

1.4. Использование углеродных тубулярных наноструктур

1.5. Экспериментальное изучение процесса ГФХО

Г лава 2. Методика и техника эксперимента

2.1. Получение углеродных материалов

2.2. Изучение структурно-морфологических свойств углеродных

материалов
2.3. Оптическая эмиссионная спектроскопия плазмы
2.3.1. Общая характеристика плазмы
2.3.2. Пространственное распределение параметров плазмы
Глава 3. Многостенные углеродные нанотрубки
3.1. Безкаталитический синтез
3.2. Механизм безкаталитического формирования нанотрубок
3.3. Каталитический синтез
Глава 4. Призматические углеродные наносвитки
4.1. Особенности формирования призматических наносвитков
4.2. Композитный материал на основе наноалмазной пленки и
углеродных наносвитков
4.3. Схема одновременного формирования призматических наносвитков и наноалмазной пленки
Заключение
Список публикаций по результатам, представленным в работе
Список литературы )

Введение
Дополнительно к ранее хорошо изученным алмазу и графиту в конце прошлого века были открыты новые упорядоченные формы углерода (наноалмаз, фуллерены, углеродные нанотрубки, наносвитки, графен и т.п.), состоящие из структурных элементов, характерный линейный размер которых в одном или нескольких направлениях составляет несколько нанометров. Эти* формы сразу вызвали большой интерес благодаря своим, необычным электронным и оптическим* свойствам;, высокой; стабильности и химической* инертности, а также уникальным* механическим характеристикам:
Хотя в. литературе встречаются указания на обнаружение таких наноуглеродных материалов; в* объектах природного происхождения; наиболее обычным способом: их получения является искусственный синтез. Среди большого* разнообразия таких искусственных методов наиболее высокий уровень структурного совершенства достигается в ходе осаждение углерода из газовой фазы. Для: реализации такого осаждения углеродсодержащая среда активируется тем> или* иным способом: Одним’из наиболее простых и-удобных способов, активации газовой среды является использование электрического* разряда.
Данная работа посвящена экспериментальному изучению процессов формирования некоторых тубулярных наноструктурированных форм углерода при конденсации из. газовой фазы, на поверхность стандартных* кремниевых пластин и исследованию структурно-морфологических свойств полученных материалов.
В настоящее время-разработаны технологии для получения на кремниевых подложках углеродных материалов в виде: алмазных и графитных пленок, углеродных нанотрубок и наносвитков,, и других углеродных материалов с различными структурными характеристиками. Однако, многие детали этих процессов остаются невыясненными, что препятствует их оптимизации для получения материалов с заданными свойствами. Кроме того, развитие науки и

техники требует создания композитных материалов нового типа. В последнее время резко возрос интерес к изучению и использованию тубулярных углеродных структур. Используемые в настоящее время методы их получения не позволяют получать структуры с высокой степенью кристаллографического упорядочения, и часто оказываются не приемлемыми для создания практических технологий.
Указанные соображения послужили основной мотивацией при формулировке цели- уаботы: определение механизмов безкаталитического формирования тубулярных наноструктур при плазмохимическом осаждении' углерода и.-исследование фундаментальной взаимосвязи .параметров процесса осаждения и структурных характеристик получаемых наноуглеродных материалов.
В соответствии- с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:
- разработка новых и модернизация имеющихся установок и методов синтеза с помощью газофазного химического осаждения;
- разработка методов, обеспечивающих контроль параметров процесса осаждения-с помощью регистрации оптических эмиссионных спектров плазмы;
установление корреляционных связей между параметрами плазмохимического процесса осаждения и свойствами получаемых с его помощью углеродных материалов;
- построение моделей' и определение физических механизмов- процессов, формирования углеродных материалов с различной структурой в условиях плазмы газового разряда постоянного тока;
- получение углеродных материалов с различным соотношением алмазо- и графитоподобных фракций;
- изготовление образцов наноуглеродных материалов в количестве, необходимом для проведения исследований;
- изучение их структурных, морфологических характеристик, а также состава.

мощный источник монохроматического излучения. Обычно в экспериментах по КРС используется аргоновый лазер, излучающий на длинах волн 514.5 нм,
488.0 нм и 457.9 нм, криптоновый (647.1 нм), гелий-неоновый (632.8 нм) [39].
Характерные спектры для различных углеродных материалов представлены на рисунке 1.19. Основная полоса КРС спектра первого порядка алмаза (Рис. 1.19а) проявляется в виде характерной узкой линии на частоте оз:шча:і = 1333 см"1 и шириной 1,5-2 см"1 (для кристаллов с совершенной структурой). Характерный КРС спектр поликристаллического графита, имеющего относительно низкую дефектность, представлен на рисунке 1.196. Примечательно, что теоретический расчет для спектра КРС идеального монокристалла графита предсказывает существование единственного пика на частоте около 1580 см'1 (его называют G-линией от слова graphité). Однако в спектре КРС поликристаллического графита появляется дополнительный D-пик (от слова defect или disorder) на частоте около 1350 см"1, свидетельствующий о дефектности и разупорядоченности графитного материала. Такими же особенностями обладают массивы многостенных углеродных нанотрубок [40, 41], углеродная сажа и другие графитоподобные материалы [15] (Рис. 1,19г, д).
Для нанокристаллических алмазных материалов с характерными размерами кристаллитов около 2 нм или меньше в спектрах КРС отмечается присутствие, помимо пиков 1333, 1350 и 1580 см"1, характерных дополнительных спектральных особенностей в области 1140 и 1470 см"1 (Рис.1.19в). Линии 1350 и 1580 см"1 соответствуют наличию в структуре материала графитоподобных включений. Пик 1333 см'1 соответствует алмазной фазе углерода. Появление линий 1140 и 1470 см"1 в спектре может быть объяснено формированием на поверхности кристаллита алмаза цепочек атомов со структурой, подобной транс-полиацетилену (trans-(CH)n) [42-44].
Стоит отметить, что положения линий КРС и их ширины зависит от внешних факторов. В частности, на величину сдвига линии КРС могут оказывать существенное влияние внутренние или внешние механические напряжения в