Разработка и исследование технологических основ создания массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок для устройств микроэлектронной сенсорики

• Автор: Климин, Виктор Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

1.1 Основные направления применения массивов углеродных нанотрубок в электронике и микроэлектронной сенсорики

1.1.1 Чувствительные элементы сорбционных газовых датчиков

на основе УНТ

1.1.2 Чувствительные элементы ионизационных газовых датчиков

на основе УНТ

1.2 Строение и свойства углеродных нанотрубок

1.3 Методы получения углеродных нанотрубок
1.4 Особенности выращивание нанотрубок методом плазменного ГФХО
1.4.1 Анализ материалов каталитических центров для роста УНТ методом плазменного ГФХО
1.4.2 Механизмы роста УНТ на каталитических центрах
1.5 Факторы, определяющие свойства углеродных нанотрубок, в методе плазменного ГФХО
1.5.1 Влияние плазмы
1.5.2 Влияние каталитических центров
1.5.3 Влияние состава газовой фазы
1.5.4 Влияние напряженности электрического поля
1.6 Выводы и постановка задач
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ И РОСТА УНТ МЕТОДОМ ГФХО
2.1 Исследование процессов формирования каталитических центров конденсацией из атомарных потоков никеля
2.2 Термодинамический анализ взаимодействия материалов в системе каталитический центр/подслой/подложка кремния
2.3 Расчет критического давления ацетилена и времени роста УНТ
2.4 Выводы по главе
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ И РОСТА ОРИЕНТИРОВАННЫХ МАССИВОВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
3.1 Используемое исследовательское и технологическое оборудование
3.2 Исследование режимов формирования каталитических центров
3.2.1 Исследование режимов формирования каталитических центров на этапе нагрева
3.2.2 Исследование режимов формирования каталитических центров на этапе активации
3.3 Экспериментальные исследования режимов выращивания массивов вертикально ориентированных УНТ методом плазменного ГФХО
3.3.1 Влияние давления газовой смеси
3.3.2 Влияние материала подслоя
3.2.3 Влияние мощности плазмы на геометрические параметры УНТ
3.2.4 Исследования влияния времени роста на геометрические параметры УНТ
3.4 Разработка технологического маршрута выращивания упорядоченных массивов УНТ
3.5 Выводы по главе
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
ИОНИЗАЦИОННОГО ГАЗОВОГО ДАТЧИКА С МАССИВОМ УНТ
4.1 Изготовление и исследование макета чувствительного элемента ионизационного газового датчика на основе массива вертикально ориентированных УНТ
4.2 Разработка технологического маршрута изготовления

газочувствительного датчика на основе массива УНТ
4.3 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение 1. «Фазовые диаграммы газофазных и твердофазных
реакций взаимодействия»
Приложение 2. «Лабораторно-технологические инструкции
технологических маршрутов изготовления»
Приложение 3. «Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы»

Исследования показали, что независимо от материала каталитического центра, диаметр синтезируемых УНТ определяется толщиной пленки слоя каталитического металла. Так, при использовании относительно толстого (>8 нм) слоя катализатора образуются многослойные УНТ диаметром более 15 нм. На вершинах этих нанотрубок присутствуют частицы металлического катализатора, что указывает на вершинный механизм роста УНТ. Использование тонкой пленки для каталитического слоя приводит к образованию однослойных, либо тонких многослойных УНТ диаметром менее 5 нм. На вершинах этих УНТ отсутствуют частицы катализатора, что указывает на корневой механизм их образования. Тем самым установлено, что механизм роста УНТ существенно зависит от их диаметра, и при изменении диаметра нанотрубок от нескольких нм до нескольких десятков нм происходит изменение механизма от коневого к вершинному [80].
По механизмам образования УНТ на каталитическом металлическом центре существует много работ [75-80]. В случае, если материалом каталитического центра являются переходные металлы (Ni, Со, Fe, Мо и др.), УНТ образуются через следующие стадии: а) полного дегидрирования углеводорода на одной из граней кристалла металла с образованием адсорбированных атомов углерода (реакция идет с выделением тепла); б) диффузии атомов углерода через объем металла; в) выделение атомов углерода на грани кристалла металла, имеющей характер упаковки атомов, комплементарный упаковке атомов углерода (для никеля эта грань [111] комплементарна грани [002] углерода) (рисунок 1.14). Знаком С* обозначен атом углерода, образовавшийся из молекулы метана и находящийся на поверхности кристалла металла на грани [100] (в плоскости этой грани произвольно взятый атом Ni имеет четыре ближайших соседа). Значком Cf обозначен атом углерода, находящийся в объеме металла; стенки трубки, образующиеся на грани [111] (в плоскости этой грани произвольно взятый атом Ni имеет шесть ближайших соседей). Область выделения углерода приблизительно совпадает с размером граней [111], при этом диффузия атомов углерода из объема приводит к выделению углерода. В целом результатом этого процесса является образование ориентированных стенок УНТ.