Введение к работе
Актуальность работы
На сегодняшний день успехи кремниевой технологии трудно переоценить. Существующая технология накопила широкий спектр готовых решений для реализации тех или иных приборов и схемотехнических задач. Имеющаяся на рынке продукция удовлетворяет основным тенденциям миниатюризации, однако, прогресс по расширению функциональности кремниевых электронных компонентов сегодня исчерпывается. Для расширения функциональности электронных компонентов существуют два общих подхода. Первый - создание принципиально новой материальной базы электронных приборов, как например, в молекулярной электронике. Несмотря на всю перспективность и глобальность такого подхода, его реализация является существенно ресурсозатратнои деятельностью, и в связи с этим в ближайшее время существенных технологических прорывов в данном направлении ждать не приходится.
Вторым подходом является замена функциональных частей в электронных и электромеханических компонентах на материалы с более подходящими свойствами для реализации их функций. К одним из перспективных материалов в создании таких гибридных приборов относятся углеродные нанотрубки (УНТ). УНТ являются уникальным материалом, совокупность электрофизических, физико-химических и механических свойств определяет перспективность их применения в электронике и электромеханических системах. Интересным является тот факт, что каждый из способов получения УНТ в том или ином виде используется при производстве электронных компонентов.
На сегодняшний день обозначены перспективы применения УНТ в композитах, наноэлектромеханических системах, датчиках и межсоединениях. Наиболее привлекательным методом получения УНТ, из соображения их интеграции в электронную технологию, являются процессы каталитического пиролиза. А также процессы каталитического пиролиза позволяют синтезировать нанотрубки с заданной ориентацией относительно других структурных компонентов.
Задачи, на решение которых направлена настоящая работа, занимают своё место в общей картине работ по технологии материала УНТ. В настоящее время технологии синтеза нанотрубного материала не в достаточной мере учитывают роль катализатора, как при самом синтезе, так и позиционировании нанотрубок относительно других
структурных компонентов. Технологические процедуры и способы, разрабатываемые в настоящей работе, могут найти свою нишу в общей структуре достижений, связанных с развитием технологий получения углеродных наноструктур. В этом контексте результаты исследования в области разработки новых технологий выращивания УНТ актуальны, представляют научный и практический интерес.
Цель работы и основные задачи
Целью данной работы является разработка технологии синтеза УНТ методом каталитического пиролиза этанола для создания электронных приборов на их основе. Для достижения данной цели потребовалось решить следующие задачи:
Разработать установку для синтеза УНТ;
Определить технологические параметры, при которых происходит синтез УНТ;
Изучить газодинамику течения газа в установке;
Проанализировать химические реакции основных технологических процессов;
Адаптировать выбранные модели роста УНТ к реально протекающим процессам;
Сформулировать критерии выбора катализатора для роста УНТ;
Исследовать свойства производимого нанотрубного материала, с целью выявления основных характеристических параметров.
Научная новизна работы
В ходе проведенных исследований были получены следующие результаты:
В разработанной установке выявлены закономерности синтеза УНТ в зависимости от технологических параметров и типа катализаторов.
Проанализированы основные свойства УНТ, получаемых с помощью представленной технологии.
Сформулированы требования к катализаторам для синтеза УНТ, позволяющие эффективно подбирать катализатор для решения конкретных технологических задач.
На основе моделей поверхностной диффузии и современных моделей роста, углеродных нанотрубок, сформулирована и реализована концепция синтеза однослойных УНТ.
На основе газодинамических расчётов распространения парогазового реагента в обсуждаемой установке показана возможность формирования плёнок УНТ с необходимой однородностью на подложках диаметром до 80 мм, что было подтверждено экспериментально.
Практическая значимость работы:
Разработана установка синтеза УНТ, которая обеспечивает рост углеродных нанотрубок на каталитически активных поверхностях диаметром до 80 мм.
Предложена методика приготовления, и использования золь-гель катализаторов на основе аммиачных комплексов переходных металлов, которые позволяют синтезировать УНТ в широком температурном диапазоне от 500 до 900 С и при давлении парогазовой смеси от 5 до 20 кПа.
Предложена качественная реакция на определение УНТ на основе характерного поведения нанотрубного материала.
Разработан композит на основе альбумина, компаундированного УНТ, биосовместимость которого подтверждена испытаниями in vivo.
Предложена методика формирования нанотрубок в пористых матрицах, включающая заполнение пор золь-гель катализатором на основе аммиачных комплексов переходных металлов.
Предложена методика формирования композитных солнечных элементов на основе оксида титана и углеродных нанотрубок с целью увеличения их КПД.
Личный вклад соискателя.
Автору принадлежит участие в постановке и разрешении задач в соответствии с целью исследований. Это заключалось в разработке установки синтеза УНТ, определении технологических параметров, при которых происходит синтез УНТ, изучении газодинамики течения газа в установке, формулировке критериев выбора катализатора для роста УНТ, и в разработке методик получения и использования катализатора, выполнении большей части экспериментов, анализе, интерпретации и
суммировании результатов, формулировке научных положений и выводов, выносимых на защиту.
Исследования комплексного характера проводились по инициативе автора в рамках сотрудничества научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ с Лабораторией электронной микроскопии МИЭТ, ЦКП «Синхротрон», ИК РАН, НИЛ «Технологии наноматериалов» и НОЦ «Биомедицинских технических систем».
Достоверность научных положений, результатов и выводов
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена: комплексным характером проведенных исследований, сравнительными результатами сопоставительных анализов методами электронной и атомно-силовой микроскопии.
Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики не противоречат известным теоретическим моделям и представлениям, которые были экспериментально подтверждены. Их корректность косвенно подтверждается результатами других исследователей. Все исследования проведены на сертифицированном оборудовании.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы используются в ООО «РПСЛ» для производства установок синтеза углеродных нанотрубок, а также в учебном процессе вузов: ВолГУ, МИЭТ и ТСХА.
Положения выносимые на защиту:
Закономерности синтеза УНТ методом каталитического пиролиза этанола, заключающиеся в том что, в отсутствии восстановителя, синтез УНТ проходит через этап конверсии парогазовой смеси в монооксид углерода с последующим его диспропорционированием.
Принцип выбора катализатора для синтеза УНТ с целью применения в композитах и структурах наносистемной техники, основан на совокупности требований к высокой удельной поверхности катализатора, адсорбции монооксида углерода на ней, растворимости углерода в самом катализаторе, а также взаимодействий с сопутствующими материалами.
Конструкция установки с вертикальным напуском, которая позволяет синтезировать УНТ на всех каталитически активных участках подложки диаметром до 80 мм.
Методика получения и использования катализатора на основе аммиачных комплексов переходных металлов, позволяющая формировать УНТ на различных носителях.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на 20 конференциях, семинарах, выставках и конкурсах научных работ:
V Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2005, 2006,2008).
S Международная научно-техническая школа-конференция
«Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2005, 2006).
S Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School «MB-JASS». (Москва 2006, 2007)
S Всероссийский молодёжный научно-инновационный конкурс-конференция «Электроника». (Москва, 2007)
-Ґ Специализированная выставка нанотехнологий и материалов «NTMEX». (Москва 2006,2007).
Ґ Московский международный салон промышленной собственности «Архимед». (Москва, 2007, 2008).
S Международный форум «Высокие технологии XXI века». (Москва, 2007, 2009)
S Петербургский международный экономический форум (Санкт-Петербург, 2007, 2008)
S Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters" (St. Petersburg, 2007, 2009)
S Микроэлектроника и наноинженерия - 2008 Международная научно-техническая конференция (Москва, 2008)
S 1-й международный форум по нанотехнологиям. (Москва, 2009)
Публикации
Основные результаты исследования, проведенного соискателем, изложены в 24 научных работах. В том числе, по теме работы
соискателем в соавторстве получены 3 патента РФ и опубликованы 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Результаты диссертационной работы вошли составной частью НИР по бюджетному договору №883-ГБ-53-Б, а также составной частью НИОКР 6486р/9120 основной частью НИОКР 4990р/7143, 7061р/7143 при поддержке фонда Бортника.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, и изложена на 124 страницах, включает 45 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 92 источника.
