WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

СИМУНИН МИХАИЛ МАКСИМОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВА НИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК МЕТОДОМ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА ЭТАНОЛА Специальность 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники,

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре «Квантовая физика и наноэлектроника» Московского государственного инсти тута электронной техники (технического университета)

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Неволин В.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рощин В.М.

доктор физико-математических наук, профессор Ильичв Э.А.

Ведущая организация: НИИТМ

Защита состоится "_" _ 2009 года в _ часов _ минут на заседании диссертационного совета Д.212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан "_" _ 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук, профессор Яковлев В.Б.

2 ОБЩАЯ ХАРА КТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 ресурсозатратной 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 сво 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:

1. Разработать установку для синтеза УНТ;

2. Определить технологические параметры, при которых происходит синтез УНТ;

3. Изучить газодинамику течения газа в установке;

4. Проанализировать химические реакции основных технологических процессов;

5. Адаптировать выбранные модели роста УНТ к реально протекающим процессам;

6. Сформулировать критерии выбора катализатора для роста УНТ;

7. Исследовать свойства производимого нанотрубного материала, с целью выявления основных характеристических параметров.

Научная новизна работы В ходе проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. В разработанной установке выявлены закономерности синтеза УНТ в зависимости от технологических параметров и типа катализаторов.

2. Проанализированы основные свойства УНТ, получаемых с помощью представленной технологии.

3. Сформулированы требования к катализаторам для синтеза УНТ, позволяющие эффективно подбирать катализатор для решения конкретных технологических задач.

4. На основе моделей поверхностной диффузии и современных моделей роста, углеродных нанотрубок, сформулирована и реализована концепция синтеза однослойных УНТ.

5. На основе газодинамических расчтов распространения парогазового реагента в обсуждаемой установке показана возможность формирования плнок УНТ с необходимой однородностью на подложках диаметром до 80 мм, что было подтверждено экспериментально.

Практическая значимость работы:

1. Разработана установка синтеза УНТ, которая обеспечивает рост углеродных нанотрубок на ката литически активных поверхностях диаметром до 80 мм.

2. Предложена методика приготовления, и использования зольгель 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.

3. Предложена качественная реакция на определение УНТ на основе характерного поведения нанотрубного материала.

4. Разработан композит на основе альбумина, компаундированного УНТ, биосовместимость которого подтверждена испытаниями in vivo.

5. Предложена методика формирования нанотрубок в пористых матрицах, включающая заполнение пор золь-гель катализатором на основе аммиачных комплексов переходных металлов.

6. Предложена методика формирования композитных солнечны х 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:

1. 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.

2. 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.

3. Конструкция установки с вертикальным напуском, которая позволяет синтезировать УНТ на всех каталитически активных участках подложки диаметром до 80 мм.

4. 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:

Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2005, 2006, 2008).

Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2005, 2006).

Moscow-Bavarian Joint Advanced Student School «MB-JASS».

(Москва 2006, 2007) Всероссийский молоджный научно-инновационный конкурсконференция «Электроника». (Москва, 2007) Специализированная выставка нанотехнологий и материалов «NTMEX». (Москва 2006, 2007).

Московский международный салон промышленной собственности «Архимед». (Москва, 2007, 2008).

Международный форум «Высокие технологии XXI века». (Москва, 2007, 2009) Петербургский международный экономический форум (СанктПетербург, 2007, 2008) Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters” (St.

Petersburg, 2007, 2009) Микроэлектроника и наноинженерия – 2008 Международная научно-техническая конференция (Москва, 2008) I-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 статей в журналах, рекомендованных ВА К. Результаты диссертационной работы вошли составной частью НИР по бюджетному договору №883-ГБ-53-Б, а также составной частью НИОКР 6486р/основной частью НИОКР 4990р/7143, 7061р/7143 при поддержке фонда Бортника.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из вве дения, пяти глав, заключения, списка литературы, и изложена на 124 страницах, включает 45 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 92 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описываются структура, и свойства УНТ, определяющие их применение в электронной технике. Перечислены основные достижения по синтезу УНТ, при этом рассматриваемые методы описываются в том виде, в котором они используются в электронной промышленности, а также акцентируется внимание на технологических параметрах, используемых при росте УНТ.

Далее рассмотрены подходы к интеграции УНТ в структуру электронных компонентов, показана перспективность использования процессов каталитического пиролиза, позволяющего формировать УНТ с заданной ориентацией относительно других структурных компонентов. Подходы, используемые в существующих публикациях, объединены в две основных концепции по методологическому принципу формирования электронных компонентов. Приведн ряд примеров конкретного исполнения структур. Первая выявленная концепция заключается в том, что формируемая плнка, содержащая нанотрубки, не имеет заданной ориентации относительно других структурных компонентов, а напротив, структурные компоненты ориентируются относительно не. В устройствах, сформированных такими методами, плнка, либо содержит случайным образом направленные нанотрубки, либо их вертикальный массив. Вторая концепция заключается в том, что нанотрубки, формируемые на структуре, имеют заданную ориентацию относительно других компонентов заданной структуры; при этом рост нанотрубок в заданном месте может быть обусловлен структурой предназначенного для этого катализатора или действием внешних сил.

В заключении проводится сравнительный анализ технологий синтеза УНТ применительно к вышеописанным концепциям.

Указывается, что методы каталитического пиролиза являются наиболее перспективными из-за широкого спектра материалов, которые можно с их помощью получать. Кроме того, такие методы могут самодостаточно реализовать обе концепции формирования электронных компонент на основе УНТ Во второй главе описывается разработанная установка синтеза УНТ и производятся основные оценки параметров е работы. В частности, сама установка (рис. 1) является компактной и состоит из четырх основных частей.

Установка состоит из реакторной печи, электронного блока, форвакуумного насоса и системы подачи углеродсодержащей парогазовой смеси (ПГС). В установке реализована возможность контроля температуры и давления.

Камера печи (рис. 2) является основным рабочим объемом и предназначена для производства в ней УНТ. Внутренняя часть печи состоит из кварцевой керамики с малой теплопроводностью, а внешняя стенка из жаропрочной стали. Для контроля температуры непосредственно у рабочего столика размещена термопара (3). Напуск ПГС осуществляется через натекатель (1). Для активной подачи ПГС используется испаритель. Откачка реактора производится через клапан (6). Нагрев производится муфельным нихромовым нагревателем (2).

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»