WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

углеродных нанокристаллитов с изменением потенциала Особый интерес представляет зависимость концентраво время их синтеза. Это свидетельствует о различии в ции выявленных кристаллитов от температуры, полуприроде тонкой структуры микрокристаллитов, полученченная для давления паров ниже 0.1 Pa. При темпераных в различных условиях микроволнового синтеза, но туре свыше 250C, согласно диаграмме полиморфных имеющих одинаковые геометрические характеристики.

превращений, составом полученной пленки является графит — алмазоподобная фаза (область 6 на рис. 5).

В этой области параметров процесса с увеличением температуры взамен мягких полимерных углеводородных образовывались пленки, на типичных рентгенограммах которых кроме кристаллических фаз графита в интервале углов 2 = 51-60 наиболее интенсивными были рефлексы с d = 2.13 A, принадлежащие алмазоподобной фазе C(2OH). Это свидетельствует о возможности получения не только алмазно-полимерных, но алмазнографитных нанокомпозитных материалов.

На рис. 6 приведены типичные зависимости тока эмиссии от напряженности электрического поля в диодной структуре на основе алмазно-графитовых пленок, полученных при различных ускоряющих потенциалах в процессе синтеза в одном из режимов, принадлежащих области 6 на рис. 5. Расстояние между образцом и анодом составляло 120 µm. Из полученных зависимоРис. 7. Зависимости высоты микрокристаллитов (1), костей произведен расчет коэффициента усиления элекэффициента усиления поля (2) и электросопротивления (3) трического поля в микродиоде K, представляющего углеродных пленок от потенциала на подложкодержателе в собой отношение напряженности электрического поля процессе синтеза.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 46 Р.К. Яфаров Обсуждение результатов в процессе синтеза, имели более высокую электропроводность и металлический блеск, характерный для Образование нанокомпозитных алмазно-графитовых монокристаллического графита. Механизм улучшения материалов в углеродсодержащей СВЧ плазме при низэмиссионной способности углеграфитовой пленки за ких температурах подложки согласуется с известными счет увеличения в ней концентрации наноалмазных данными [12], согласно которым при конденсации углевключений состоит в следующем.

родного пара из газовой фазы, активированной электриКак известно, наряду с зонными состояниями элекческим разрядом, на холодной подложке формируется тронов в кристалле у его поверхности существуют аморфный слой. Его свойства резко отличаются от разрешенные поверхностные состояния, дискретные знасвойств графита и скорее приближаются к свойствам чения энергии которых располагаются в той области алмаза, который, как известно, метастабилен при низких энергий, которая в неограниченном кристалле является давлениях. Образование алмазной фазы обусловлено запрещенной зоной. Влияние поверхностных состояний тем, что процесс конденсации при использовании СВЧ тем больше, чем более развита поверхность кристалла, плазмы происходит в неравновесных условиях. Поэтот. е. чем меньше размер кристаллитов. В работе [15], му преобладающими при зарождении нано- и микронапример, показано, что электрические свойства мелкристаллитов алмаза являются не термодинамические козернистых пленок благодаря большому отношению факторы, а процессы физической кинетики. Для этого поверхности к объему определяются характером поверхметода характерны большие пересыщения в плазме ностных уровней и размером зерен. При изменении активированных атомов и ионов углерода, в том числе и степени дисперности влияние поверхностных уровней на ответственных за образование алмазной фазы, и резкое электрические свойства полупроводников усиливается охлаждение (термоудар) при конденсации на холодную вплоть до изменения типа электропроводности.

подложку. При этом вероятность зарождения наноалПоверхностные уровни кристаллов могут быть пустымаза возрастает, поскольку энергия образования его ми или заполненными электронами полностью или наотносительно простой кристаллической решетки гораздо половину. При переходе электронов между поверхностниже, чем энергия образования сложной гексагональной ными и объемными уровнями и зонами кристалла (под решетки графита. Кроме того, известно, что прочность давлением тепла, освещения, электрического поля и межатомных связей в кристалле графита значительно т. д.), а также адсорбции газов поверхность приобретает превышает прочность связей в алмазе. По этим причизаряд того или иного знака в зависимости от характера нам, в частности, в построенной на рис. 5 кинетической поверхностных уровней. Заряд поверхности компенсирудиаграмме полиморфных превращений образование грается пространственным зарядом противоположного знафитовой фазы происходит при более высоких температука, обусловленным изменением концентрации носителей рах подложки, энергии электронов и степени активации тока в приповерхностном слое. У поверхности кристалплазмы. Переходная область между преимущественным ла возникает, таким образом, двойной электрический осаждением алмаза и графита (область 6 на рис. 5) предслой, влияющий на электрические свойства материаставляет собой в общем случае гетерофазную систему, ла. Если размер микрокристаллита меньше толщины где в аморфной углеграфитовой матрице распределены обедненного слоя, то объем зерна будет практически микрокристаллиты алмаза, мелкокристаллического гранепроводящим и проводимость будет обусловлена тольфита и других кристаллических модификаций углерода.

ко процессами в поверхностных зонах. По оценкам Кроме результатов рентгено-структурного анализа, об в [15], толщина обедненного слоя в полупроводниках этом свидетельствует также улучшение эмиссионной превышает 100 nm. Поэтому объемной проводимостью способности углеродных пленок, принадлежащих промемелкокристаллических пленок можно пренебречь. Весь жуточной области состояний графит — алмазоподобная ток в таких пленках оказывается сосредоточенным в фаза (область 6 на рис. 5). В таких пленках с увеличениповерхностных зонах, которые простираются в глубину ем положительного потенциала на подложкодержателе, кристалла на расстояние порядка межатомного размера.

по нашему мнению, увеличивается концентрация наноТаким образом, электроны, заполняющие поверхносталмазных кристаллитов. Действительно, бомбардировка ные состояния, с одной стороны, могут увеличивать поверхности электронами и отрицательными ионами электрический потенциал приповерхностной области при положительных потенциалах на подложкодержателе кристалла (заряжать ее), а с другой стороны, поусиливает коэффициент прилипания атомов углерода и скольку электроны, связанные с поверхностью, могут роль кинетических факторов при зародышеобразовании свободно перемещаться вдоль этой поверхности, создаи росте наноалмазных кристаллитов [13,14]. Кроме того, вать поверхностную проводимость металлического типа.

в отличие от графита грани кристалла алмаза могут расти как по слоевому, так и по нормальному механиз- В случае применения наноалмазных композиционных му. Поэтому в условиях интенсивной электронной бом- материалов в качестве автоэмиссионных катодов все бардировки, благоприятной для реализации нормального эти явления играют положительную роль. Особенно механизма, алмаз должен иметь преимущества. Косвен- велика роль поверхностных состояний электронов в но это подтверждается тем, что пленки, полученные связи с тем, что попавшие в них электроны способны при отрицательных напряжениях на подложкодержателе создавать очень большой отрицательный поверхностный Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Получение наноалмазных композиционных материалов в плазме микроволнового газового разряда... практически полностью отсутствует, а размер кристаллитов определяется исключительно пересыщением соответствующей углеродной компоненты. По этим причинам плотность зародышей наноалмазной фазы при минимальной температуре процесса, равной 50C, является для всех давлений рабочего вещества в плазме наибольшей (рис. 4). Далее, в полном соответствии с общей теорией формирования конденсированных сред из паровой фазы [13] с увеличением температуры подложки уменьшается количество зародышей алмазоподобной фазы, возрастает их критический размер и прекращается осаждение углеводородной пленки. Это Рис. 8. Схема энергетической зонной диаграммы для авобъясняется, с одной стороны, возрастанием вероятнотоэлектронного эмиттера на основе алмазографитоподобной сти испарения атомов с подложки, а с другой — более пленки: 1 — графитоподобный углерод, 2 — алмазоподобный кластер, 3 — вакуум. низкой температурой испарения полимерного углеводородного вещества. Установленные значения критических температур соответствуют, таким образом, значениям, выше которых атомы молекулярного потока, формизаряд. При поверхностной концентрации электронов порующие углеводородную пленку, полностью отражаютрядка 1014 cm-2 возникает поле поверхностного заряда ся от подложки. Увеличение давления паров рабочего порядка 107-108 V/cm. Это поле сильно искривляет вещества приводит к тому, что атомы, испаряющиеся ход энергетических зон вблизи поверхности кристалла, с подложки, захватываются частицами молекулярного существенно усиливает локальное электрическое поле потока и, вновь осаждаясь на подложке, образуют ядра на микровыступах, выполняющих роль эмиссионных конденсации. Поэтому критическая температура, при центров. Кроме того, при достаточно высокой плотности которой еще наблюдается образование алмазоподобных заполнения поверхностных уровней носителями заряда зародышей, а также максимальная их концентрация уровень Ферми на поверхности полупроводника прохотем больше, чем выше давление пара и плотность дит вблизи поверхностных уровней и работа выхода, потока падающих на подложку частиц. Исключением таким образом, не зависит от положения уровня Ферми является кривая зависимости плотности кристаллитов в глубине пленки, но определяется характером поверхот температуры для давления паров 1 Pa, при котором, ностных уровней.

по-видимому, реализуются оптимальные кинетические Зонную диаграмму нанокомпозитной алмазографитоусловия зарождения и роста алмазоподобной углеродвой пленки схематически можно представить также в ной фазы в углеводородной матрице. Этот режим, как виде участка, имеющего графитовую структуру и приследует из экспериментов, характеризуется наибольшей мыкающего к нему алмазоподобного нанокластера, имекритической температурой и самой высокой плотностью ющего запрещенную зону широкозонного диэлектрика зародышеобразования наноалмазов, хотя общая тенден(рис. 8). В соответствии с общими для всех широкозоция изменения концентрации от температуры остается ных полупроводников закономерностями [16,17] можно прежней.

ожидать, что энергетический уровень, соответствующий Появление максимума концентрации наноалмазных электрону в вакууме Evac, окажется ниже дна верхней кристаллитов при 300C для давления ниже 0.1 Pa объзоны E1, т. е. будет реализовано отрицательное электронясняется теми же процессами гетерогенного зарождения ное сродство. В этом случае причиной отличного от и роста пленок из газовой фазы, но уже в условиях нуля порогового значения напряженности электрическопреимущественного осаждения графита.

го поля, при которой наблюдается эмиссия электронов, является необходимость преодоления энергетического барьера на границе раздела между алмазными класте- Заключение рами и основной частью графитовой матрицы.

Все названные процессы в наноалмазно-графитовом Метод получения наноалмазов, основанный на испольматериале оказывают существенное влияние на пере- зовании СВЧ газового разряда низкого давления в магнос носителей тока к эмиссионным центрам, сниже- нитном поле, является альтернативой детонационному ние работы выхода и уменьшение величины внешнего методу [1,2]. Разработанные технология и наноалмазэлектрического поля, обеспечивающего эффективную ные композитные материалы могут быть использованы автоэлектронную эмиссию. для создания элементной базы вакуумной микроэлекПри низких температурах подложки вместе с нано- троники: высокостабильных пленочных резисторов с алмазной фазой конденсируются продукты неполного широким диапазоном удельных сопротивлений (от разложения этанола в СВЧ плазме в виде углеводо- до 107 · m) и рассеиваемых мощностей, высокоэфродных мягких пленок, блокирующих дальнейший рост фективных и деградационно стойких антиэмиссионных образовавшихся зародышей наноалмазов. При этом вли- покрытий и автоэмиссионных наноалмазографитовых каяние графита на зародышеобразование алмазной фазы тодов с регулируемыми значениями напряженности поля Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 48 Р.К. Яфаров автоэлектронной эмиссии от 15 до 7 V/µm и менее при [7] Пчеляков О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В. и др. // ФТП. 2000. Т. 34. Вып. 11. С. 1281–1299.

плотности тока 0.3 mA/cm2 и/или от 19 до 9 V/µm и [8] Былинкина Н.Н., Муштакова С.П., Олейник В.А. и др. // менее при плотности тока 3 mA/cm2.

Письма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 6. С. 43–47.

Широкий спектр применений могут найти также полу[9] Суздальцев С.Ю., Яфаров Р.К. // Письма в ЖТФ. 1998.

ченные наноалмазно-углеводородные материалы. ГлавТ. 24. Вып. 4. С. 25–31.

ными их достоинствами являются сочетание высоких [10] Алехин А.А., Суздальцев С.Ю., Яфаров Р.К. // Письма в значений дисперсности, химической инертности и адЖТФ. 2003. 2003. Т. 29. Вып. 15. С. 73–79.

сорбционной активности, обусловленной предельно вы[11] Суздальцев С.Ю., Яфаров Р.К. // ФТТ. 2004. Т. 46. Вып. 2.

соким значением числа нескомпенсированных связей С. 367–371.

на поверхности наноалмазов. Поверхностные состояния [12] Руденко А.П., Кулакова И.И. // Вест. Моск. ун-та. Сер. 2.

наноалмазов могут заполняться электронами из атомов Химия. 1993. Т. 34. № 6.

или молекул, адсорбируемых на поверхности кристалла, [13] Тонкие пленки. Взаимная диффузия и реакции. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Поута, К. Ту, Дж. Мейера. М.: Мир, или, наоборот, отдавать электроны этим молекулам.

1982. 576 с.

Таким образом, поверхностные состояния существенны [14] Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обрадля сил сорбции и для процессов поверхностного катаботка материалов. М.: Радио и связь, 1986. С. 232.

лиза химических реакций.

[15] Покровский Я.Е. // ЖТФ. 1954. Т. 24. Вып. 7. С. 1229–1243.

Уникальные поверхностные свойства определяют со[16] Белл Р. Эмиттеры с отрицательным электронным сродответствующие области применения: в электрохимичеством. М.: Госэнергоиздат, 1973.

ских и химических покрытиях для упрочнения инстру[17] Бокий Г.Б., Безруков Г.Н., Клюев Ю.А. и др. Природные и ментов и снижения коэффициента трения, повышения синтетические алмазы. М.: Наука, 1986. 221 с.

микротвердости и износостойкости электрических контактов с золотым и серебряным гальванопокрытиями:

Pages:     | 1 || 3 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.