Одно из основных направлений исследований в лаборатории состоит в получении общеизвестный и новых углеродных материалов. Для получения углеродных пленок используются методы газофазного химического осаждения (ГФХО) с помощью установок, реализующих модификации этого метода при активации газовой среды (смесь метана и водорода) в разряде постоянного тока (плазмохмическая модификация ГФХО) и при термической активации (метод «горячей нити»):
- Установка по осаждению плазмохимическим методом. В данном методе активация смеси метана и водорода производится разрядом постоянного тока. Осаждение производится на плоские проводящие подложки, на которых формируются тонкие углеродные пленки различной структуры. Одна из модификаций этого метода позволяет произвродить осаждение на непроводящие (диэлектрические) подложки с использованием дополнительного электрода.
- Установка по осаждению методом «горячей нити» (Seki Technotron, 650 HF CVD). В данном методе активация смеси метана и водорода происходит в результате контакта с вольфрамовыми нитями, нагреваемыми пропускаемым по ним током. Данная установка позволяет получать различные углеродные пленки не только на плоских подложках, но и на сложных 3D объектах, а также изготавливать углеродные материалы легированные бором.
Из-за относительно низкой концентрации углерода в активированной газовой среде скорость осаждения с использованием этих ГФХО методов относительно низка, что позволяет добиться высокой степени контроля за процессом осаждения и получать контролируемым образом углеродные пленки различного типа: микро- и нано-кристаллические алмазные пленки, поли- и моно-кристаллические пленки графита, моно- и много-слойный графен, пленки из углеродных нанотрубок и др.
В качестве примера на рисунке приводятся изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), для углеродных пленок различного типа, полученных с помощью плазмохимического ГФХО.
Различные типы углеродных материалов получаемых методом газофазного химического осаждения
В процессе синтеза углеродных материалов с помощью плазмохимического осаждения одним из наиболее информативных методов диагностики и контроля процесса осаждения является метод оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС). Для реализации этой методики разработана и используется в экспериментальной работе ОЭС установка, схематически показанная на схеме ниже.
Оптическое излучение плазмы проецируется на экран, в котором имеется сквозное отверстие. Экран может перемещаться по двум координатам в плоскости перпендикулярной проецируемому изображению. Свет, проходящий в отверстие, с помощью оптоволоконного светопровода направляется на вход оптического спектрометра. Таким образом, в частности, возможно получение оптических эмиссионных спектров для различных участков плазмы.
Данный метод позволяет производить in-situ диагностику плазмы разряда постоянного тока, возникающую между электродами в процессе синтеза. Такие исследования позволяют получить важную информацию о взаимосвязи параметров процесса осаждения углерода с пространственным распределением электронной температуры, наличием и пространственным распределением концентрации различных радикалов и другими параметрами. В качестве примера на рисунке представлены полученные с помощью данного метода пространственные распределения спектральной линии, соответствующей углеродным димерам С2, для двух характерных случаев осаждения.
Пространственные распределения интенсивности излучения линии, соответствующей димерам углерода (длина волны 516.5 нм), для двух характерных состояний тлеющего разряда, обеспечивающих осаждение (а) алмазоподобного и (б) графитоподобного материалов.
Метод комбинационного рассеяния света (КРС) позволяет проводить оперативный анализ структурных особенностей, упорядоченности и состава углеродных материалов. Регистрация КРС спектров осуществляется на приборе U1000 фирмы Jobin Yvon Horiba. Данный прибор отличает высокое спектральное разрешение и возможность подавления интенсивности возбуждающей лазерной линии, позволяющие производить регистрацию спектров в области малых частот. Прибор позволяет получить информацию о фазовом составе получаемых пленок (графит, алмаз), степени упорядоченности материала (например, микро- и нано-кристаллические алмазные пленки), а также другие важные структурные особенности материалов, такие как количество слоев графена в тонких графитных пленках, хиральность и диаметры одностенных углеродных нанотрубок и пр. Важной отличительной особенностью данного метода является его оперативность и отсутствие каких-либо разрушающих воздействий на исследуемый материал.
Примеры изображений углеродных плёнок различной морфологии, полученных с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ), и соответствующие им спектры КРС (а – образец поликристаллического графита, б – поликристаллический текстурированный алмаз, в – наноалмазная плёнка)
Одно из основных направлений исследований в лаборатории состоит в получении углеродных материалов, обеспечивающих стабильную и эффективную полевую (автоэлектронную) эмиссию электронов. Прежде всего, это графитоподобные материалы, представляющие собой острийные или лезвийные наноструктуры, такие как углеродные нанотрубки, тонкие графитные кристаллиты, графен и др.
В лаборатории созданы и используются несколько экспериментальных установок для исследования эмиссионных характеристик материалов. Один из измерительных стендов с уровнем вакуума до 10-6 Торр используется, как правило, для оперативных измерений свойств образцов. Измерительный стенд с уровнем вакуума до 10-8 Торр применяется, в основном, для проведения точных и долговременных измерений. В этих установках анод выполнен в виде стеклянной пластины с нанесенными на нее электропроводящим прозрачным слоем ITO и катодолюминофора (для определения распределения эмиссионных центров по поверхности) либо в виде массивной плоской стальной пластины (используется при исследовании токов большой интенсивности). Установка с анодом в виде острия, сканирующего вдоль поверхности исследуемого катода, позволяет характеризовать эмиссию электронов с микрометровым разрешением и, в том числе, исследовать отдельные эмиссионные центры.
Основными направлениями исследований являются:
- Исследование полевой эмиссии электронов из углеродных материалов различных типов, включая измерение вольтамперных характеристик в режимах постоянного, переменного или импульсного напряжения, а также получение эмиссионных картин пространственного распределения эмитированных электронов;
- Исследование электромеханических эффектов возникающих при эмиссии электронов из эмиттеров обладающих свойством механической гибкости;
- Исследование эмиссии в зависимости от температуры образца, под действием внешнего излучения, в зависимости от уровня давления и состава остаточных газов и других параметров.
Нанографитные холодные катоды, получаемые в лаборатории, обладают рекордными эмиссионными характеристиками. Они позволяют получать стабильную эмиссию электронов, при относительно низких напряжениях и высокой плотности тока (свыше 1 А/см2). Плоские нанографитные холодные катоды позволяют получать однородную эмиссию электронов с большой площади. Указанные характеристики привлекательны для применения таких катодов в различных электровакуумных приборах и устройствах.
В лаборатории разрабатываются научные основы применения холодных катодов. В частности, были созданы прототипы катодолюминесцентных источников света, источники рентгеновского излучения, электронные пушки, применяемые в ускорителях электронов и в космических аппаратах, перемещаемых в пространстве с помощью солнечного ветра, и др.
Изображения прототипов катодолюминесцентных источников света различной конфигурации
Одним из уникальных материалов, получаемых в лаборатории, являются монокристаллы алмаза пирамидальной формы. Такие кристаллы микронного размера получаются в процессе селективного термического окисления текстурированной наноалмазной пленки, получаемой ГФХО методом. Окисление позволяет удалить нанокристаллическую компоненту пленки, в результате более крупные монокристаллы алмаза оказываются выделены из пленки и могут быть отделены от подложки по отдельности. С помощью имеющейся системы микропозиционирования (Signaton CheckMate 250), снабженной микропинцетами, возможна эффективное манипулирование отдельными алмазными игольчатыми монокристаллами, их перемещение, приклеивание, соединение с с металлами с помощью микро-лазерной сварки и т.п.
Монокристаллы алмаза описанной выше формы представляют собой уникальные объекты с научной и практической точек зрения. В частности они применяются для создания зондов для атомно-силовой микроскопии.
Растровые электронные изображения алмазной микропирамиды, закрепленной на кремниевом кантилевере с использованием эпоксидного клея с помощью системы микропозиционирования
Возможные темы:
- Методы получения углеродных материалов
- Моделирование низкотемпературной плазмы
- Явление автоэлектронной эмиссии электронов
- Материалы с эффективной автоэлектронной эмиссией электронов
Темы курсовых работ
уточняйте у сотрудников
лаборатории
Фотография реакционной части камеры плазмохимической установки
(а) Фотография установки CVD с активацией горячей нитью; (б) принципиальное внутренние устройство установки
Сохраните ссылку...