Формирование металлических кластеров катализаторов при росте углеродных нанотрубок

• Автор: Цыганцов, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Оглавление
Введение
Апробация работы
Структура и объем работы
Г лава 1. Механизмы формирования металлических кластеров
1.1. Свойства углеродных нанотрубок и их применение
1.2. Механизмы формирования металлических кластеров. Роль процессов самоорганизации
1.3. Влияние условий на рост углеродных нанотрубок
1.4. Роль катализатора при росте УНТ
1.5. Теоретические модели описания процессов самоформирования
1.6. Выводы к главе
Глава 2. Термодинамика формирования металлических кластеров
2.1. Нуклеация кластеров катализаторов при росте углеродных нанотрубок
2.2. Парциальная свободная энергия кластера
2.3. Расчет функции распределения кластеров по числу частиц (размеру) в общем виде
2.4. Выводы к главе
Глава 3. Моделирование самоорганизации металлических кластеров методом Монте-Карло
3.1. Принципы и начальные условия, используемые при моделировании процессов самоорганизации кластеров
3.2. Описание результатов моделирования процессов самоорганизации металлических кластеров методом Монте-карло
— 3.3. Выводы к главе
Глава 4. Экспериментальное определение параметров роста УНТ при гомогенном и гетерогенном формировании кластеров катализаторов
4.1. Методы выращивания углеродных нанотрубок
4.2. Установка для выращивания кластеров СУП методом
4.3. Описание эксперимента на установке каталитического пиролиза
4.4. Пиролиз ферроцена
4.5. Экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения при гомогенном формировании кластеров
4.6. Агрегатное состояние и размеры частицы катализатора

4.7. Концентрация кластеров катализаторов на поверхности подложки
4.8. Поверхностное натяжение при гетерогенном формировании кластеров
4.9. Выводы к главе
Основные выводы
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях
Список использованной литературы
Приложение. Модель методом Монте-Карло, выполненная в програмном пакете Maple

Введение
Актуальность темы
Развитие технологий, связанных с получением и использованием наноматериалов, способно привести к кардинальным изменениям в материаловедении. С практической точки зрения важны исследования наноструктур на основе углерода, в том числе углеродных нанотрубок (УНТ). Впервые УНТ были обнаружены в 1991 году японским ученым Иджимой [1-3] в процессе изучения поверхности углеродных электродов, используемых в электрическом дуговом разрядном аппарате, который применялся для создания фуллеренов. В настоящее время углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна (УНВ) интенсивно изучаются. В научной литературе сообщается о новых необычных физико-химических и прочностных свойствах этих образований.
Высокие прочностные свойства УНТ создают прекрасную возможность изготовления композиционных материалов на основе полимеров, каучуков, а также металлов. УНТ может также использоваться для упрочнения металлов и сплавов и усиления жаропрочности мягких металлов (например, меди), имеющих хорошую теплопроводность, но низкую прочность.
Уже сейчас определены области возможного применения углеродных наноматериалов в наноэлектронике. Электронная эмиссионная способность УНТ [3] может применяться в электронных пушках и плоских дисплеях. Появилась возможность использования наноструктур для создания термоэлектрических материалов, добротность которых на порядок выше, чем в массивных аналогах. Квантовые свойства УНТ и УНВ обеспечивают применение их в качестве сенсорных устройств, чувствительных к водороду и другим химическим веществам.
В настоящее время для роста УНТ в основном используется метод
химического парофазного осаждения (ХПО), в процессе которого
происходит каталитический синтез УНТ. Катализатор оказывает влияние на

Рисунок 12. Расчет методом молекулярной динамики, показывающий формирование ОУНТ [73]: (а) этап твердого раствора; (Ь) этап формирования островка углеродной сети на поверхности кластера; (с) этап начала роста ОУНТ.
Таким образом, расчеты методами молекулярной динамики [76, 78-80, 91, 92] подтверждают роль катализатора в формирования сети. Заметим, что эти модели пока очень далеки от совершенства и дают лишь приближенное представление о механизме процесса роста УНТ.
Капельная модель роста УНТ представляется достоверной. По-видимому, достаточно обоснованным является положение, что УНТ растет из пересыщенного раствора углерода в металлическом катализаторе, на что указывают многочисленные работы различных авторов. При этом важную роль играет поверхностное натяжение капли катализатора и его взаимодействие с подложкой. Если взаимодействие капли с подложкой велико, то трубка растет из капли катализатора, закрепленной на подложке. В противном случае капля может оторваться от подложки и подниматься над поверхностью по мере роста трубки. В обоих случаях рост происходит из пересыщенного раствора углерода в металлическом катализаторе.
1.5. Теоретические модели описания процессов самоформирования
Кластеризация - образование системы связанных атомов и молекул
[93]. Изучение процессов кластеризации и выявлении их природы является