Разработка конструктивно-технологических методов роста углеродных наноструктур для автоэмиссионных применений

• Автор: Петрухин, Георгий Николаевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Введение
I Глава.

1 Автоэмиссия принцип работы устройств на основе УНС.

2 Свойства углеродных наноматериалов и их применение.

2.1 Графен

2.2 Углеродные нанотрубки и нанонити

2.2.1 Автоэмиссионные свойства УНТ

3 Методы получения УНС

3.1 Методы получения графена

3.2 Методы получения УНТ

3.2.1 Электродуговой метод распыления графита.

3.2.2 Метод лазерного испарения графита.
3.2.3 СУЭ методы
3.3 Выводы по методам получения УС
4 Модель каталитического роста У НТ
5 Применение УНС настоящее положение дел и перспектива
II Глава
1 Физикоматематическая модель формирования УНТЗI
1.1 Формирование наноразмерных областей катализатора.
1.1.1 Постановка задачи.
1.1.2 Динамика массоиереноса вещества в пленке
1.1.3 Некоторые замечания по предложенной модели
1.2 Процесс формирования реагентов для роста УНТ.
1.3 Процесс диффузии углерода и формирования зародышевых областей в капле
катализатора.
1.4 Рост углеродных нанострутур.
1.5 Выводы
III Глава.
1 Установка Алмаз1 для роста УНС
1.1.1 Описание установки Алмаз1 для роста УНС
1.1.2 Основные технические характеристики установки Алмаз1.
1.1.3 Состав установки Алмаз
1Л .4 Основные принципы работы установки
1Л .5 Модернизация отдельных узлов Алмаз
1.2 Организация контроля процесса роста на установке Алмаз
1.2.1 Контроль процесса по величине ионного тока
1.2.2 Кот роль разложения СН4 в плазме с помощью детектирования уровня
водорода в реакторе.
2 Отработка технологических режимов формирования наноразмерных
каталитических областей из сплошных пленок
2.1 Выбор архитектуры пленочной структуры для катализа УИС
2.2 Схема проведения исследования.
2.3 оиск и отработка технологических параметров получения каталитических
областей
3 Поиск и отработка технологических параметров роста УИС.
3.1 Используемая архитектура пленочной структуры для роста УНС
3.2 Результаты технологических исследований по росту УИС
3.2.1 Углеродные нанокопусы.
3.2.2 Смесь наноперьев и наноконусов
3.2.3 Графеновые перья
3.2.4 Углеродные нанокластеры.
4 Выводы.
IV Глава
1 Исследования структуры и поверхности образцов.
1.1 Исследование топологии поверхности образцов с помощью АСМ
1.2 Исследование морфологии поверхностей с помощью РЭМ.
1.3 Исследование свойств экспериментальных образцов с помощью ПЭМ
1.4 Исследование состава структур с помощью Ожеспектроскопии
2 Исследование злекрофизических характеристик экспериментальных образцов
автоэмитгеров.
2.1 Стенд для измерения ВАХ автоэмиссии из УНС.
2.2 Экспериментальные образцы с активным слоем из массива углеродных
наноконусов.
2.3 Экспериментальные образцы с активным слоем из массива углеродных наноперьев
2.4 Экспериментальные образцы со смешанным слоем углеродных наноконусов и перьев
3 Анализ полученных результатов
3.1 Анализ результатов исследования образования каталитических нанокластеров.
3.2 Анализ результатов роста УС.
3.3 Качественная модель, объясняющая зависимость роста У НС от ноля
V Глава
1 Практическое применение разработанных технологических режимов роста УИС
1.1 Реализация гибридного варианта.
1.2 Реализация в планарных схемах
1.2.1 Технологический маршрут изготовления планарных автоэмиссионных
1.2.2 Результаты роста УНС на планарных схемах
1.2.3 Предложения по решению проблем, возникших при росте УНС на приборных планарных схемах
2 Технологические и экономические параметры.
Основные результаты и выводы.
Приложение
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
Благодарности.
Список публикаций по теме диссертации
Список цитируемой литературы


Из представленных на рисунке 1 аллотропных модификаций углерода нас интересуют структуры, имеющие нанометровые ограничения хотя бы по одной из пространственных координат, а именно двумерный графен, одномерные УНТ и углеродные нанонити и нульмерный фуллсрен. Вышеперечисленные наноструктурированные материалы и будут являться предметом дальнейшего анализа. Области применения углеродных наноструктур на сегодняшний день очень обширны, поэтому мы будем проводить обзор лишь в области разработки логических или активных элементов микро и наноэлектроники. Графен от англ. По оценкам графен обладает большой механической жсткостью и хорошей теплопроводностью 1 ТПа и Втм1 К1 9 соответственно. Такие свойства графена, а так же хорошая подвижность носителей тока в нем при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях см. Поскольку графен впервые был получен только в году, он ещ недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. С момента открытия углеродные нанотрубки находятся в фокусе внимания мировой научной и инженерной общественности благодаря целому ряду необычных физических свойств. К числу последних относится, прежде всего, удивительная прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации, позволяющая получать сверхпрочные композиционные материалы. Одно из самых замечательных свойств связь между геометрической структурой наиотрубки и ее электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантовохимических расчетов. В последнем случае ширина запрещенной зоны задается геометрическими параметрами хиральностью углом скручивания и диаметром нанотрубки. Нанотрубки обладают великолепными механическими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки составляет ГПа, тогда как у легированной стали и наиболее упругого металла иггрия 0 и 0 ГПа соответственно. Кроме того, однослойные нанотрубки способны упруго удлиняться на . Автоэлектрон пая эмиссия углеродных нанотрубок. Высокие эмиссионные характеристики УНТ определяются их высоким значением аспектного отношения и малым диаметром се острия. В результате эмиссионные свойства УНТ проявляются при существенно более низких значениях приложенною напряжения по сравнению с традиционно используемыми автоэмиссионными катодами, изготовленными на основе макроскопических металлических осгрий. Хиральность и геометрия острий влияют на эффект усиления электрического поля и параметры автоэмиссии, что, в силу их случайных флуктуаций у разных УНТ, приводит к разбросу эмиссионных характеристик фрагментов областей поверхности макроскопического образца. Поэтому, расчетные и экспериментально полученные параметры авгоэмиссии, могут существенно различаться. Впервые высокие эмиссионные характеристики УНТ были продемонстрированы различными исследовательскими группами в годах. В качестве источников АЭ исследовались как многослойные, гак и однослойные панотрубки. Вольтамперные эмиссионные характеристики пленок УНТ при комнатной и несколько более высокой температуре хорошо соответствуют зависимости ФаулсраНордгейма. С ростом температуры возрастает относительный вклад термоэлектронной эмиссии, которая доминирует уже при температуре 5 К. Экспериментально полученные рекордные значения плотность эмиссионного тока составляют 3 Асм. Результаты численных расчетов напряженности электрического поля, позволяют получить значение оптимальной плотности У НС в массивах, соответствующей максимальной плотности тока и низкому пороговому напряжению. Наличие указанног о оптимума связало с потерей эффекта обострения поля изза суперпозиции полей вблизи острий УНТ. Оптимальное относительно плотности тока эмиссии расстояние между эмиттерами примерно вдвое превышает высоту отдельного эмиттера. Это соответствует оптимальному значению плотности эмитгеров 2,5 х 7 см2 или 5 эмиттеров на пиксель размером х мкм. Данные теоретические расчеты подтверждаются результатами измерений поверхностного распределения плотности тока эмиссии, выполненных при различной плотности нагютрубок рис.