Тонкие наноструктурированные пленки

Тонкие наноструктурированные пленки это организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами.

1.В методе эпитаксии на ориентированную поверхность монокристалла наносят лазерным испарением или молекулярным пучком требуемое вещество.

2.Метод CVD (химическое парофазное осаждение веществ). Исходное вещество испаряется в отдельной камере, а затем переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на выбранную подложку. На рис Суз+34?приведена схема установки, которая включает реактор с вращающейся подложкой, емкости для испарения прекурсоров (исходных веществ)., системы подачи паров прекурсоров, газов носителей, газов реагентов и примесных газов и систему откачки.

Для получения пленок металла используют летучие карбонилы металлов (с СОН -группой), металлоцены, дикетонаны металлов, алкильные соединения металлов, галогениды металлов.

В области низких температур подложки рост пленки определяется скоростью разложения карбонилов, при температурах 200^оС рост пленки переходит в диффузионную область и замедляется. Нагрев подложки внутри реактора осуществляется электрическим током и индукционным током высокой частоты.

Вторым фактом определяющем рост пленки является давление в реакторе и скорость откачки. При увеличении давления разложение карбонилов на поверхности подложки замедляется и рост пленки замедляется.

Третьим фактором является концентрация исходного металлсодержащего соединения. Увеличение концентрации прекурсора ведет к его разложению уже в объеме реактора и образованию отдельных кластеров металлов.

Каталитические добавки снижают температуру разложения карбонилов и увеличивают скорость образования кластеров.

3. Метод молекулярного наслаивания. Состоит в организации поверхностных химических реакций с пространственным и временным разделением.

4.Нанопленки получают путем осаждения и выпаривания коллоидных растворов.

Пленки полученные свободным падением кластеров на подложку получаются организованными, но непрочными. Связывание кластеров лигандами упрочняет пленку, но разрушает её организацию.

5. Эффективным методом получения нанопленок служит технология Ленгмюра-Блоджетт. Предложен Ленгмюром в 1920г. развит Катрин Блоджетт в1932 г. На поверхности воды формируется монослой ПАВ, в который могут входить ионы металлов, комплексы металлов и нанокластеры. Затем с помощью ванн Ленгмюра - Блоджетт пленки с поверхности жидкости переносятся на твердую поверхность. В результате получаются организованные нанопленки с регулируемым числом молекулярных слоев. Процесс получения показан на рис.суз36+

На поверхность воды прыскивается раствор амфитильного соединения ПАВ. Количество вещества такое, что площадь его монослоя не превышает площадь рабочей поверхности ванны Ленгмюра. Затем с помощью плавучего барьера задается поверхностное давление, для перевода монослоя в жидкокристаллическое состояние, необходимое для переноса его на твердую подложку. Это давление регистрируется специальными весами. Далее микрометрической подачей подложка опускается или поднимается сквозь монослой со скоростью от см/мин до см/сек. Перед нанесением каждого следующего монослоя барьер автоматически сдвигается влево, чтобы сохранить давление на пленку, т.к. её часть ушла с подложкой. Процесс осаждения монослоев на подложку зависит от температуры и pH поверхностного давления и скорости подачи подложки.

В зависимости от направления движения подложки сквозь монослой получается пленка Ленгмюра-Блоджетт различной молекулярной ориентацией. При движении подложки вниз рисСуз 36.на твердой гидрофобной поверхности формируется монослой с ориентированными к подложке гидрофобными хвостами ПАВ, который образует структуру Х-типа. При движении гидрофильной подложки вверх формируется мульти слой называемый структурой Z-типа.

В случае полимерных пленок возможно

1.Формирование монослоев полимеров на поверхности жидкости и перенос их на твердую подложку.

2.Формирование монослоев из мономеров с последующей полимеризацией, а затем перенесение на твердую подложку

3.Формирование монослоев из мономеров, перенесение их на твердую подложку, а затем полимеризация в пленке Ленгмюра-Блоджетт.

Углеродные нанотрубки.

Углеродные нанотрубки (УНТ) обнаружены в 1991 г. Иджимой и представляют собой цилиндрические организованные структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Нанотрубки встречаются в природном минерале шунгите.

1.Получение нанотрубок методом синтеза, основанный на использовании дугового разряда с графитовыми электродами, разработанный Кретчмером для получения фуллеренов из сажи. рис37суз

Дуговой разряд между графитовыми электродами горит в камере с охлаждаемыми стенками при давлении буферного газа(He или Ar) около500 Topp. Межэлектродное пространство поддерживается на постоянном уровне (около1мм) за счет подвижного расходуемого анода. При токе100 А и напряжении на электродах 25-35 В.температура плазмы в межэлектродном пространстве достигает значений 4000 К. За счет конвекции атомы углерода уносятся в более холодную область плазмы, где часть из них образует нанотрубки.

2. Абляция (испарение) графита лазерным облучением в атмосфере буферных газа.

Применяется неодимовый лазер с длительностью импульса 8 нс и активным пятном на графитовом стержне -1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей области вместе с буферным газом и осаждаются на водоохлаждаемой поверхности медного коллектора. Эти продукты включают фуллерены, наночастицы графита и углеродные нанотрубки однослойные и многослойные. Характеристики УНТ чувствительны к параметрам лазерного облучения, что позволяет синтезировать нанотрубки с заданными структурными свойствами. рис 38суз

 

3. Каталитическое разложение углеводородов

Каталитическое разложение углеводородов на поверхности металлического катализатора приводит к эффективному выходу УНТ. Схема синтеза приведена на рис.суз38 Катализатор состоящий из высокодисперсного металла, заполняет керамический тигель, заключены в трубчатую печь при температуре 700-1000 ^оС и продувается смесью-газообразного углерода и буферного газа, например смесью в соотношении1:10. Если поры подложки заполнены кластерами металла, совпадающими с размерами пор, тогда диаметр УНТ образующихся на поверхности катализатора становится близким к размеру кластера и соответственно диаметру пор.

 

 

Таким образом, например, получают ориентированные УНТ относительно поверхности пористого кремния как наиболее употребляемого материала в микроэлектронике.

Квантовые точки - полупроводниковые флуоресцентные металлические нанокристаллы размером 5-10 нм, образованы из халькогенидов кадмия.(например из селенида кадмия, покрыты оболочкой из сульфида цинка), обладают уникальными оптическими и электронными свойствами, имеют высокие квантовый выход и коэффициент экстинкции. Для них характерна широкая полоса возбуждения флуоресценции (от ультрафиолета до видимого света и инфракрасного) с узкой симметричной полосой эмиссии, которая в зависимости от природы и размера нанокристалла может располагаться на заданном участке спектра. ZnS, CdS, ZnSe флуоресцируют в УФ-области, CdSe,CdTe в видимом свете, PbS,PbSe, PbTe в ближней ИК -области(700-3000 нм). Квантовые точки отличает уникальная фотостабильность.

Высокоэффективный к оллоидный синтез получения наноточек реализован [Анциферов] в виде высокотемпературного синтеза, проводимого в инертной атмосфере путем нагревания неорганометаллических прескуров, растворенных в высококипящих органических растворителях. Это позволяет получать однородные по размеру квантовые точки с высоким квантовым выходом флуоресценции. В результате коллоидного синтеза получаются нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул (ПАВ).

Второй метод получения наноточек- эпитаксия –формирование наноструктур на поверхности другого материала, которая используется как матрица. Квантовые точки InAs получали путем напыления островков InAs образующих пунктирный слой, который располагался между слоями GaAs.

Применение квантовых точке в качестве оптических сенсоров, флуоресцирующих маркеров фотосенсибилизаров в медицине, детекторов в ИК –области, солнечных батарей высокой эффективности, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств.