Физические особенности молекулярно-лучевой эпитаксии с формированием нанообъектов

В ряде работ показано, что углеродные нанотрубки (НТ) с малым числом слоев и плоские угольные образования (графены) представляют собой материал с высокими потенциальными возможностями. Наиболее распространено получение НТ испарением и сублимацией графита, каталитическим разложением или пиролизом углеродсодержащих реагентов. Среди этих методов синтез углеродных нанообъектов (УНО) и графенов в низкотемпературной плазме относится к наиболее перспективным. Эффективность его можно увеличить путем создания совместного парообразного потока катализатора и потока ионов углерода и последующего совместного осаждения на подложку, путем поддержания оптимального соотношения катализатор-углерод за счет регулирования электрофизических параметров процесса испарения. При этом в качестве слоя, на котором осуществляется эпитаксия, используются для углеродной системы слои некарбидообразующих элементов. К ним можно отнести медь, никель, углерод, магний и др. Эти элементы являются катализаторами формирования на их поверхности закономерных ассоциаций в виде углеродных нанотрубок, графенов и т.д.

Механизм формирования углеродных образований на поверхности катализатора можно представить в виде физической модели, схематически представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 Физическая модель механизма эпитаксии углеродных нанообъектов: а – центры формирования углеродных нанообъектов; б – формирование плоских нанообъектов; в – образование объемных нанотрубок

В случае необходимости синтеза углеродных однослойных нанотрубок может использоваться медь. В качестве примера на рисунке 2 приведена электронная структура углеродных нанообразований на поверхности напыленной меди. Здесь приведена оптическая фотография подложки с 50^Х- кратным увеличением (изображение А). При таком увеличении обнаруживается островковая структура меди, на которой просматриваются темные включения, предположительно углеродные образования в виде углеродных нанотрубок с общим центром. Такие объекты формируются из плоских углеродных структур, растущих во всех направлениях из активных центров меди, за счет возникновения внутренних напряжений между медным и угольным слоем. В результате достижения определенных критических значений напряжений между ними происходит отслоение углеродного слоя и свертывание его в трубчатую структуру. Средний размер показанных структур в пределах 120 – 150 нм, Размер отдельных трубчатых образований можно определить в пределах 20 – 40 нм. Неконтрастные изображения структур на 2, 4, 5 фотографиях связаны с тем, что данные объекты располагаются на обратной стороне угольной пленки.

Следует также отметить то, что медь просматривается в виде участков (или зерен), разъединенных темными границами. Именно эти границы, по-видимому, более активны и чаще находятся в центре углеродных образований (см. рис. 2).

Рисунок 1 Оптическая и электронная структуры продуктов синтеза: А – оптическая микрофотография поверхности, 50^Х; 1-5 - электронные фотографии углеродных нанообъектов при увеличении 22 000^Х.

Технологический процесс синтеза приведенных углеродных объектов включает насколько операций, последовательность которых приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема технологического процесса синтеза УОНТ в плазме

В технологическом процессе укрупненно можно выделить четыре стадии.

1 Начальный блок операций(заготовительно-наладочные работы) состоит из подготовки катализатора и угольных электродов, изготовления резистивного испарителя, подготовки установки.

2 Следующий блок (подготовка процесса эпитаксии) включает установку электродов, резистивного испарителя, установку подложек, загрузку катализатора. Этот блок операций заканчивается созданием рабочей среды – вакуума.

3 Основная операция (процесс синтеза) – это последовательное напыление катализатора и напыление углерода.

4 Технологический процесс заканчивается (окончание процесса и контроль продуктов синтеза) извлечением из рабочего пространства подложек с последующим снятием продуктов синтеза с поверхности.