Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Углеродные нанотрубки - структура, свойства, приборы на их основе 12
1.1. Классификация углеродных тубулентных структур 12
1.2. Строение углеродных нанотрубок 14
1.3. Свойства углеродных нанотрубок 16
1.4. Методы синтеза углеродных наноструктур и механизмы роста углеродных нанотрубок 20
1.4.1. Электродуговое распыление графита 21
1.4.2. Лазерная абляция графита 22
1.4.3. Холодная деструкция графита 24
1.4.4. Химическое осаждение из газовой фазы 26
1.4.5. Механизмы каталитического роста углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы 29
1.5. Основные направления создания приборов на основе углеродных нанотрубок в микро- и наносистемной технике 33
1.5.1. Зонды для атомно-силового микроскопа на основе нанотрубок 33
1.5.2. Наноэлектромеханические устройства на основе углеродных нанотрубок 36
1.5.2.1. Наномотор на основе УНТ 36
1.5.2.2. Переключатели на основе углеродных нанотрубок 39
1.5.2.3. Наномеханическая память на основе углеродных нанотрубок 40
1.5.3. Датчики для детектирования газов на основе углеродных нанотрубок 42
1.6. Выводы по главе 1 47
Глава 2. Разработка и исследование моделей приборов наносистемной техники и их элементов на основе углеродных нанотрубок 50
2.1. Классификация структур и моделей чувствительных элементов приборов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок 50
2.2. Моделирование чувствительных элементов НЭМС на основе углеродных нанотрубок с сосредоточенной силой 52
2.3. Моделирование чувствительных элементов НЭМС на основе углеродных нанотрубок с распределенными электростатической и Ван-дер-Ваальсовыми силами 62
2.4. Определение параметров конструкции наномеханических элементов на основе углеродных нанотрубок 69
2.5. Моделирование конструкционных параметров газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок 71
2.3. Выводы по главе 2 73
Глава 3. Исследования методов и разработка технологии выращивания углеродных нанотрубок 75
3.1. Экспериментальные исследования методов получения углеродных нанотрубок 76
3.2. Разработка технологического процесса формирования каталитических центров 84
3.2.1. Топографические исследования каталитических центров 86
3.3. Выращивание нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы 92
3.4. Выводы по главе 3 101
Глава 4. Разработка конструкций и технологогических маршрутов изготовленияи приборов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок 103
4.1. Разработка конструкции интегрального микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок 103
4.1.1. Принцип работы интегрального микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок 107
4.2. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления наномеханического переключателя на основе углеродных нанотрубок 109
4.3. Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок 116
4.4. Разработка технологогических маршрутов изготовления приборов наносистемной техники на основе использования многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ 119
4.5. Разработка чувствительных элементов на основе углеродных нанотрубок и исследование их газочувствительных свойств 129
4.6. Выводы по главе 4 136
Заключение 138
Список использованных сокращений 139
Список использованных источников 140
Приложение 1. «Документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы»
- Методы синтеза углеродных наноструктур и механизмы роста углеродных нанотрубок
- Моделирование чувствительных элементов НЭМС на основе углеродных нанотрубок с сосредоточенной силой
- Разработка технологического процесса формирования каталитических центров
- Принцип работы интегрального микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Увеличение степени интеграции, повышение быстродействия и ужесточение условий эксплуатации устройств является современной тенденцией развития технологии интегральных микроэлектромеханических систем (МЭМС). При этом современные многофункциональные МЭМС создаются на основе применения наноматериалов и нанотехнологий. Эти тенденции являются основой для развития фундаментально нового направления - наносистемной техники (НСТ), в рамках которого проводятся исследования и разработки наноэлектромеханических систем (НЭМС). Особое внимание при изготовлении НЭМС отводится наноматериалам, что обусловлено их уникальными свойствами.
Перспективными элементами НЭМС являются углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна, являющиеся аллотропными формами углерода с уникальными физическими свойствами. В настоящее время растет количество работ, связанных с исследованием свойств УНТ, а в области НСТ ведутся интенсивные исследования по созданию наноэлементов, активной частью которых являются нанотрубки.
Однако, при организации массового производства приборов НЭМС на основе УНТ существует ряд проблем, связанных с отсутствием адекватных математических моделей, позволяющих проводить теоретические исследования режимов работы УНТ в составе НЭМС, методик проектирования чувствительных элементов (ЧЭ) НЭМС на основе УНТ, а также конструкций и технологических процессов изготовления приборов НЭМС, основанных на использовании микроэлектронной технологии и современного кластерного оборудования.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка и моделирование чувствительных элементов приборов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок и технологических процессов их изготовления.
Для достижения реализации поставленной цели решались следующие задачи диссертационной работы:
разработка конструктивно-технологического базиса изготовления наномеханического переключателя на основе углеродных нанотрубок;
разработка математических моделей для исследования условий и режимов деформации чувствительных элементов приборов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок;
разработка математической модели и проведение вычислительных экспериментов для определения конструктивных параметров наномеханического переключателя;
разработка конструктивно-технологического базиса изготовления газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок;
проведение экспериментальных исследований для определения метода получения углеродных нанотрубок, наиболее адаптированного к разработанным конструктивно-технологическим базисам;
разработка технологических процессов и экспериментальные исследования режимов получения углеродных нанотрубок для формирования чувствительных элементов приборов наносистемной техники.
Научная новизна работы:
- проведен теоретический анализ возможности использования
различных моделей чувствительных элементов на основе
нанотрубок, позволяющий разработать методики и построить
7 математические модели для определения конструктивных параметров наномеханического переключателя;
разработана математическая модель чувствительного элемента приборов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок, которая позволяет анализировать условия и режимы деформации ЧЭ, учитывающая технологические и размерные факторы;
разработан способ и технологический процесс формирования каталитических центров, на основе нанокластеров Fe и Со с размерами 5-50 нм, позволяющий вырастить углеродные нанотрубки диаметром 5 - 10 нм.
Практическая значимость:
разработана конструкция интегрального микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок, защищенная Патентом РФ;
разработаны технологические маршруты изготовления наномеханического переключателя и газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок, совместимые с интегральной технологией микроэлектроники;
разработаны технологические маршруты изготовления наномеханического переключателя и газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок, основанные на использовании многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель для исследования условий и режимов
деформации чувствительных элементов приборов наносистемной
техники на основе углеродных нанотрубок, позволяющая оценить
8 режимы работы наномеханического переключателя на основе углеродных нанотрубок;
математическая модель, позволяющая определить конструктивные параметры наномеханического переключателя;
конструкция и технологический маршрут изготовления наномеханического переключателя на основе углеродных нанотрубок, совместимый с интегральной технологией микроэлектроники;
конструкция и технологический маршрут изготовления газочувствительного датчика на основе углеродных нанотрубок, совместимый с интегральной технологией микроэлектроники;
технологический процесс формирования наноразмерных каталитических центров на основе переходных металлов, позволяющий выращивать углеродные нанотрубки диаметром 5-10 нм.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологий» в 2004 - 2007 гг.: «Разработка теоретических основ построения систем мониторинга природной среды на базе микро- и нанотехнологий» (№ гос. регистрации 01200402781); «Проведение исследовательской работы в области нанотехнологий с привлечением студентов и аспирантов ТРТУ» (№ гос. регистрации 01200508390); «Разработка принципов построения и основ теории нетермически активируемых технологических процессов создания элементной базы наноэлектроники» (№ гос. регистрации 01200501949); «Разработка и исследование элементной базы, методов и средств проектирования микросистем на кристалле» (№ гос. регистрации 01200501947).
Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном
9 предприятии: ЗАО «Нанотехнологии - МДТ» (г. Москва), а также в учебный процесс на кафедре ТМ и НА ТТИ ЮФУ.
Апробация работы
Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: VI МНК "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии" (Кисловодск, 2006); НТК «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2006); НТК студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, (Ростов-на-Дону, 2005, 2006, 2007); МНТК "Актуальные проблемы твердотельной электроники" (Дивноморское, 2006); НТК студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления » (Таганрог, 2006); НТК профессорско-преподавательского состава ТРТУ (г. Таганрог, 2005, 2006).
Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества (Новочеркасск, 2005, 2006), Конференции Южного научного центра РАН (2006, 2007), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе, 2 статьи опубликовано в журнале, входящем в Перечень ВАК. В ВНИИТЦ зарегистрировано 5 отчетов по НИР. Получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение по заявке №2006122379 от 22.06.2006г.
10 Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.
В первой главе выполнен обзор литературных источников, проведено обобщение практического опыта, а также основных физико-технологических проблем, связанных с получением углеродных нанотрубок. Систематизированы работы по разработке приборов и элементов наносистемной техники на основе углеродных нанотрубок.
Проведенное обобщение имеющихся к настоящему времени результатов позволяет сделать заключение о том, что в связи с предъявляемыми требованиями к размерам и условиям эксплуатации, в настоящее время является перспективным использование структур из нанотрубок в качестве базовых элементов микро- и наномеханических сенсоров. Чувствительные элементы на основе углеродных нанотрубок обладают характеристиками, стабильными к различным условиям эксплуатации.
На основании сделанных выводов выбрано направление исследования и осуществлена постановка цели и задач диссертационного исследования.
Во второй главе проводится моделирование и анализ условий и режимов деформации УНТ с различными параметрами в составе чувствительных элементов наносистемной техники и возможности применения УНТ в качестве элементов памяти, инерциальных датчиков, переключателей и гироскопов. Представлены расчеты, позволяющие оценить режимы работы и конструктивные параметры приборов наносистемной техники, на примере наномеханического переключателя.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров (состав газовой смеси, температура, материал подложки и т.д.) на количество и тип синтезируемых нанотрубок и нановолокон, полученные методом химического осаждения из газовой фазы (ГФХО). Обсуждаются возможные механизмы роста углеродных наноструктур.
В четвертой главе приведены разработанные конструкции и
технологические маршруты изготовления наномеханического
переключателя, газочувствительного датчика и микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок.
Содержание диссертации изложено на 148 страницах и включает: 70 страниц с рисунками, 7 страниц с таблицами и список использованных источников, включающий 102 наименования. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Методы синтеза углеродных наноструктур и механизмы роста углеродных нанотрубок
Схема установки для получения нанотрубок электродуговым методом Принцип работы установки состоит в следующем: дуговой разряд возникает между графитовыми электродами в камере с охлаждаемыми водой стенками, при давлении буферного газа (гелий или аргон) порядка 500 Торр. Межэлектродное расстояние составляет 1-2 мм. Для получения максимального выхода нанотрубок, ток дуги должен быть 65-75 А, напряжение 20-22 В, температура плазмы дугового разряда 4000 К. В данных условиях графитовый анод интенсивно испаряется. Продукты испарения осаждаются на катоде, или на охлаждаемых водой стенках камеры, формируя углеродные нанотрубки [30].
Помимо УНТ, на катоде образуется твердый осадок в виде пятна диаметром 11-12 мм и толщиной до 1-1.5 мм, который состоит из нановолокон длинной 1-3 мкм и диаметром 20-60 нм, кроме того осадок содержит некоторое количество однослойных или многослойных нанотрубок [31]. Полученные нановолокна и отдельные нанотрубки образуют как хаотичные, так и упорядоченные сплетения.
Широкий диапазон параметров процесса и разнообразие модификаций установок приводит к варьированию эффективности процесса и состава продукта. Выход годных при получении УНТ электродуговым методом составляет от 20% до 60%, в зависимости от условий синтеза. Преимущественно получаются многостенные нанотрубки.
Недостатками данного метода являются высокая энергоемкость технологического процесса, низкая воспроизводимость и сложность управления параметрами формируемых УНТ, а также несовместимость со стандартными технологическими процессами массового изготовления приборов наносистемной техники.
Принцип работы установки состоит в следующем: графитовая мишень помещается в кварцевую трубу. При температуре 1000-1200С и давлении 500 Торр в реакционной камере проводится облучение торцевой поверхности мишени излучением неодимового лазера. Продукты термического распыления графита осаждаются на водоохлаждаемои поверхности медного коллектора.
Анализ работ показывает, что при использовании в качестве катализатора одного металла, максимальный выход нанотрубок наблюдается в случае Ni, при использовании Со - выход нанотрубок ниже, Pt катализатор дает незначительный выход, а использование Си и Nb не приводит к образованию нанотрубок [33, 34].
В случае использования катализаторов из смеси частиц металлов, максимальный выход наблюдается для смесей Co/Ni и Co/Pt, смеси Со/Си и Ni/Pt дают низкий выход однослойных нанотрубок, В случае применения смеси каталитических частиц Co/Ni, выход нанотрубок достигает 50%, при этом наблюдается высокое качество синтезируемых нанотрубок, которые свободны от внешних наростов, присущих нанотрубкам, получаемым электродуговым методом синтеза [33].
Наилучшие результаты для получения упорядоченных массивов УНТ с заданными характеристиками методом лазерной абляции были продемонстрированы в работе [34], в которой графитовая мишень с примесью никелевого катализатора облучалась одновременно двумя лазерами различной длины волны видимого диапазона. При этом выход годных УНТ составил 90%. Образовывались в основном одностенные нанотрубки диаметром 1,38 нм, что соответствует определенной хиральности - (10,10).
Недостатками метода лазерной абляции являются сложность и высокая стоимость технологического оборудования, высокое энергопотребление, несовместимость со стандартными технологическими процессами массового изготовления приборов наносистемной техники.
Метод получения УНТ холодной деструкцией графита основан на процессе модификации графита под воздействием инициирующих комплексов [35]. Комплексы вводятся в межслоевое пространство графита на молекулярном уровне и химическим путем инициируются. При этом происходит выделение энергии, сопровождающееся микровзрывом, происходят разрывы ван-дер-ваальсовых и межатомарных связей с образованием смеси свободных радикалов углерода и радикалов в виде гексагонов, обеспечивающих высокую реакционную способность получаемой углеродной смеси [35].
Моделирование чувствительных элементов НЭМС на основе углеродных нанотрубок с сосредоточенной силой
В соответствии с классификацией рассмотрим модель консольной балки с сосредоточенной силой для случая использования одностенной углеродной нанотрубки. Анализ показывает, что стрела прогиба для УНТ длиной 10 мкм характеризуется величиной порядка 10 +10" нм, т.е. меньше радиуса атома углерода. Для более коротких балок на основе УНТ величина прогиба исчезающе малая. Такие небольшие значения стрелы прогиба определяются высокой упругостью УНТ.
В случае применения УНТ в качестве ЧЭ емкостных датчиков (гироскопов, актюаторов и др.), на УНТ крепится дополнительная инерционная масса в виде проводящих, либо диэлектрических площадок. Для моделирования режимов работы ЧЭ на основе УНТ для этих практически важных случаев использовались модельные структуры с сосредоточенной силой, в которых в местах действия внешней силы имеются площадки размером axbxco (рис. 2.3).
При проведении расчетов предполагалось, что на конце нанотрубки закреплена диэлектрическая площадка SiC 2 (плотность 2,22 г/см ), либо проводящая площадка никеля (плотность 8.9 г/см3), размерами 1 мкм х 1 мкм х 0,5 мкм. На рис. 2.4 представлены рассчитанные на основании модели (2.1) -(2.7) зависимости стрелы прогиба УНТ в составе консольной балки с инертной массой, соответствующей рис. 2.3 - а, имеющей площадку S1O2 и NL
Анализ представленных зависимостей показывает, что закрепление инертной массы приводит к увеличению стрелы прогиба УНТ до трех порядков, на значение стрелы прогиба влияет также плотность материала площадки. Увеличение диаметра УНТ приводит к уменьшению стрелы прогиба за счет увеличения жесткости нанотрубки. у, мкм 4. (Sift) 0 2 4 6 8 /, мкм Рис. 2.4. Зависимость стрелы прогиба УНТ для консольной балки от ее длины, под весом площадки Si02 и Ni для УНТ различного диаметра: di=l,4 нм, =2нм, а(г=5нм Разработанные модели и полученные зависимости позволяют количественно определить режимы работы чувствительных элементов НЭМС с УНТ, которые могут быть использованы при разработке конструкций ЧЭ. Согласно проведенной в п. 2.1 классификации, рассмотрим мембранную балку с сосредоточенной силой, для случая использования одностенной углеродной нанотрубки. Для модели мембранной балки стрела прогиба вычисляется согласно выражения: (2.8) У = Я3 \92EJ На рис. 2.5 представлены результаты расчетов зависимости стрелы прогиба с инертной массой (SiC 2 и Ni) для мембранной балки (рис. 2.3 - б) согласно модели (2.2) - (2.8), для различных диаметров нанотрубки. 4(SiO,) rf2(Si02) 2 4 6 8 /,мкм Рис. 2.5. Зависимость стрелы прогиба УНТ для мембранной балки от ее длины, под весом площадки Si02 и Ni для различных диаметров УНТ: //=1,4 нм, 2=2нм, с/з=5нм Оценка полученных зависимостей показывает, что стрела прогиба мембранной балки составляет несколько ангстрем, т.е. смещение меньше 1 нм, чем можно пренебречь. Полученные результаты и модели могут быть положены в основу методик определения параметров и расчета конструкций и режимов работы НЭМС. Обзор, проведенный в главе 1, показал, что одними из наиболее перспективных приборов НЭМС являются наномеханические переключатели (рис. 1.23 - а) [64, 65]. Подобные переключатели в качестве подвижного элемента, содержат консольную балку, играющий роль истока. Область, расположенная под консольной балкой, используемая для создания электростатической силы, называется затвором. Область, с которой происходит механический контакт консольной балки при ее отклонении от первоначального положения за счет действия электростатической силы, называется стоком. Важным параметром подобных переключателей является напряжение, при котором произойдет контакт структуры переключателя и отклоняющего электрода, называемое напряжением замыкания. 1
Расчеты, выполненные на основе выражений (2.9) и (2.10) позволили получить зависимости напряжения замыкания наномеханического переключателя от длины УНТ при различных технологических зазорах h между электродом и нанотрубкой. Расчеты выполненные для модели консольной и мембранной балки представлены на рис. 2.7. Полученные зависимости для напряжения замыкания мембранной балки показывают, что для получения рабочих напряжений порядка 8 В нужно получать технологический зазор h = 1 мкм. Согласно расчетам, для консольной балки напряжения замыкания ниже, чем для мембранной балки, и для зазора h = 1 мкм составляет 3,5 В.
НЭМС структуры с ЧЭ на основе углеродной нанотрубки с контактной площадкой (рис. 2.6) могут также использоваться для разработки датчиков давления и акселерометров. Детектирование деформаций осуществляется емкостным методом, основанный на изменении емкости между проводящей инерционной массой и подложкой, которые являются обкладками конденсатора. Емкость вычисляется согласно выражения для плоского конденсатора [89]: lV (2.11) d(y) где е - относительная диэлектрическая проницаемость технологического зазора; е0 - электрическая постоянная; S - площадь контактной площадки; d(y)-= h - у - расстояние между обкладками (рис. 2.6; h- технологический зазор; у - стрела прогиба, определяемая согласно моделям (2.1) - (2.8) и зависящая от приложенной внешней силы.
Расчетные зависимости емкости структуры от приложенной внешней силы для консольной и мембранной балки приведены на рис. 2.8 - а и рис. 2.8-6, соответственно. Полученные зависимости показывают, что изменение емкости НЭМС структуры определяется не только размерами ЧЭ на основе УНТ, но и особенностями конструкции самого прибора, в частности технологическим зазором h и зависимостью стрелы прогиба от внешней силы. Зависимости на рис. 2.8 показывают, что для мембранной балки порог срабатывания, на два порядка выше, чем для консольной балки. При этом значения емкости составляют 10"5 - 10"3 пФ.
Разработка технологического процесса формирования каталитических центров
На сегодняшний день наиболее перспективным является метод химического осаждения из газовой фазы, основанный на разложении углеродосодержащих газов на поверхности частиц металлического катализатора. Особенностью процесса является использование каталитических центров на основе наноразмерных частиц переходных металлов, таких как железо, никель, кобальт и молибден.
Диаметры УНТ, полученных этим методом, коррелируют с размерами частиц металлического катализатора. При этом, одной из проблем получения УНТ методом ГФХО на каталитических центрах является проведение исследований и разработка технологических процессов получения каталитических частиц с высокой однородностью параметров, совместимых с технологическими процессами микроэлектроники. Одним из наиболее перспективных методов нанесения металлических частиц на различные подложки в микроэлектронике является резистивное вакуумное напыление.
Метод основан на нагреве в вакууме (10"3 - 10"4 Па) вещества до температуры испарения (Fe = 1535 С, Со = 2255 С), и конденсации испарившихся частиц на подложке. Нагрев резистивным способом обеспечивается за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через вольфрамовый проволочный испаритель на котором находится испаряемый материал.
По мере приближения потока частиц испаряемого вещества к поверхности подложки, они начинают испытывать воздействие силового поля подложки. Вначале проявляет себя дальнодействующая сила притяжения, а затем, на близком расстоянии, ближнедействующая сила отталкивания. Большинство частиц потока, которые имеют высокую энергию, преодолевают противодействие сил отталкивания и адсорбируются на поверхности.
Согласно теории конденсации, адсорбированные атомы мигрируют по поверхности подложки, сталкиваясь и образуя кристаллические зародыши, которые растут, присоединяя новые атомы [96]. Рост размеров зародыша происходит как за счет захвата атомов, диффундирующих по поверхности подожки, так и путем присоединения атомов попадающих на зародыш непосредственно из пролетного пространства.
Исследование рельефа и контроль параметров формируемых каталитических центров проводился при помощи современного аналитического оборудования СЗМ Solver Р-47Н PRO (изготовитель - ЗАО «Нанотехнология - МДТ», г. Зеленоград).
Образец помещается на медную лодочку 4, которая располагается в холодной зоне реактора. После наполнения реактора реакционным газом (водород 6 и метан 7) и достижения требуемого расхода реакционная зона нагревается до 930С. После чего, при помощи толкателя в нее вводится медная лодочка 4. Образец выдерживается в реакционной зоне в течении 15 - 30 мин., и при помощи толкателя выводится из реакционной зоны. Синтез прекращается и образец охлаждается до комнатной температуры.
В результате синтеза были получены волокна и нанотрубки. Анализ структуры нанотрубок проводился с использованием методики сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (JEOL JEM-100С). Были исследованы внутренняя структура таких нанотрубок и топологические особенности структур на их основе. Установлено, что в большинстве случаев УНТ имели бамбукообразную структуру (рис. 3.16), что соответствует литературным данным [97].
Установлено, что диаметр полученных нанотрубок составляет 5-20 нм (рис. 3.17), в основном это трубки с количеством слоев от 2 до 4-5, но есть также и однослойные. В ходе эксперимента были получены также волоконные трубчатые структуры диаметром 10-20 нм. И трубки и волокна в ходе синтеза росли преимущественно по вершинному механизму, при котором частицы катализатора расположены на вершинах УНТ (рис. 3,18).
Лучшие результаты были получены на железном катализаторе с использованием кремниевых подложек. На железном и кобальтовом катализаторах были получены многослойные углеродные нанотрубки и нановолокна с преобладанием последних. Диаметры нанотрубок по данным ПЭМ составляют ориентировочно 2-Ю нм, диаметры нановолокон лежат в интервале 10-30 нм. Длина некоторых нанотрубок достигает нескольких сотен мкм.
Принцип работы интегрального микромеханического гироскопа на основе углеродных нанотрубок
При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 6 и 7 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180, относительно подвижного электрода электростатического привода 12, между ними возникает электростатическое взаимодействие, что приводит к возникновению колебаний инерционной массы 28 и дополнительной инерционной массы 30, в плоскости полупроводниковой подложки 1 (вдоль оси Y), за счет изгиба первых четырех упругих балок 13, 14, 15, 16, соединяющих подвижный электрод 12 с опорами 8, 9, 10, 11. Зазор между неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17, и дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28 соответственно, не изменяется. Напряжения, генерируемые в парах емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамкой 17, и дополнительными неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28, соответственно, одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной в плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось X), инерционная масса 28 и дополнительная инерционная масса 30, под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет кручения торсионной балки 29, закрепленной на внутренней рамке 17, с помощью двух элементов крепления 22, 23. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 4, 5 и инерционной массой 28, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователей перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, 3 и внутренней рамки 17, соответственно, одинаковы.
При возникновении вращения полупроводниковой подложки 1 (угловой скорости) вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости полупроводниковой подложки 1 (ось Z), инерционная масса 28 и дополнительная инерционная масса 30, под действием сил Кориолиса начинают совершать колебания вдоль плоскости полупроводниковой подложки 1, за счет изгиба вторых упругих балок 18,19, 20,21, выполненных на основе углеродных нанотрубок и закрепленных с помощью шести элементов крепления 22, 23, 24, 25, 26, 27. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей перемещений 2, и внутренней рамкой 17, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину угловой скорости. Напряжения, генерируемые в емкостных преобразователей перемещений, образованных дополнительными неподвижными электродами 4, 5 и инерционными массами 28, 30, соответственно, одинаковы.
Таким образом, устройство представляет собой интегральный микромеханический гироскоп, позволяющий измерять величину угловой скорости вокруг осей X, расположенной в плоскости подложки, и Z, расположенной перпендикулярно плоскости подложки гироскопа.
Азотирование производится в кварцевой трубке при температуре 700 1100С. В трубу с потоком водорода (расход 4 л/мин) подают пары силана и аммиака в соотношении 1:20. Избыток водорода препятствует преждевременному разложению силана (температура разложения силана 500С).
Структура датчика состоит из трех слоев: эмиттера, прокладки на основе Si02 и анода. Пластины собственного карбида кремния используются в качестве подложек для выращивания электронных эмиттеров на основе УНТ. Пленки титана осаждаются на подложку распылением и затем вакуумным резистивным напылением формируются каталитические центры с характерными размерами 10 - 20 нм для роста УНТ. Методом ГФХО производится выращивание массива нанотрубок.
Промежуточный слой (прокладка между анодом и катодом) на основе Si02 формировался методом плазменного осаждения, толщина которого составляет 20 - 30 мкм. Для напускання газа в прокладке вытравливаются окна. После чего конструкция закрывается пластиной SiC .
