Технологія синтезу нанодротів

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

ТЕХНОЛОГІЯ СИНТЕЗУ НАНОДРОТІВ

Курсова робота

Зміст

Вступ

Розділ 1. Вирощування нанодротів

1.1 Синтез за допомогою шаблонів

1.2 Вирощування нанодротів за допомогою шаблонів та інжекцію під тиском

1.3 Електрохімічне нанесення

1.4 Нанесення з парової фази

1.5 Ситез нанодротів з використанням шаблонів і в якості шаблонів

1.6 Методика вирощування кремнієвий нонодротів

1.7 Секрети ПРК-росту кремнієвих нанопроволок

1.8 Нанодроти триоксиду вольфраму

Розділ 2. Кінетика формування нанодроту в процесі вакуумної конденсації металів на поверхню кристала

Висновки

Список використаної літератури

Вступ

Назва моєї курсової роботи "Технологія синтезу нанодротів".

Один з найважливіших напрямів хімічного дизайну сучасних матеріалів пов'язаний з вирішенням проблеми отримання наноструктур із заданими характеристиками і створення функціональних наноматеріалів на їх основі.

Проблема створення і дослідження наноструктур з контрольованими розмірами і заданими властивостями входить до числа найважливіших проблем нашого часу, перш за все, тому, що її рішення приведе до революційних змін в наноелектроніці, наномеханіці, біології, медицині, матеріалознавстві і інших областях. Багато держав мають свої національні програми по нанотехнології. Великий інтерес до нанотехнології і успіхи останніх років в цій області дозволяють сподіватися на створення найближчими роками нових матеріалів і нових приладів [1].

Принципи наноелектроніки, наномеханіки були сформульовані ще в 1959 році Фейманом, в тому ж році Ландауер сформулював основи квантового транспорту електронів в наноструктурах. У 1962 році Л.Б.Келдишем була висловлена ідея створення штучних надграток і зроблений вивід про наявність у них падаючої вольт-амперної характеристики. У 1969 році Есаки і Тцу створили штучну надгратку. Ліхарев в 1987 році сформулював принципи одноэлектроники. В даний час досягнуті великі успіхи в зменшенні розмірів активних областей і створенні наноструктур. Проте для переходу від мікроелектроніки до наноелектроніки недостатньо тільки зменшення розмірів елементів приладів, необхідно досягти прецизійності у виготовленні елементів, а також змінити і принципи роботи приладів. Річ у тому, що із зменшенням розмірів багато характеристик, що грають ключову роль в роботі приладів мікроелектроніки, такі як рухливість двовимірного електронного газу, і так далі перестають грати свою роль і на перше місце виходять зовсім інші характеристики – довжина хвилі електрона, довжина фазової когерентності, довжина вільного пробігу. Якщо в мікроелектроніці для перемикання приладу з одного стану в інше потрібне проходження струму з порядка мільйон електронів, то в наноелектроніці для здійснення перемикання буде достатньо одного електрона. Необхідний новий підхід до створення дійсно квантових приладів, що використовують квантові явища, такі як резонансне тунелювання, інтерференцію електронних хвиль, квантування провідності, кулонівську блокаду, явища спінів і так далі [2].

Відзначимо, що виробництво наноприладів можна буде організувати тільки якщо погрішність в дотриманні розмірів при виготовленні елементів буде менше 3 %. Треба також змінити і наше уявлення про вимоги до розмірів і форми наноелементів, які повинні бути прецизійні, останнє пов'язано з тим, що такі квантові явища як тунелювання, розмірне квантування, сильно залежать від розмірів.

Нанодріт є одним з ключових об'єктів нанотехнології. Є повідомлення про використання нанодротів як компонент композиційних матеріалів, а також для створення матриць емітерів електронів, каталізаторів, електродів для біофізичних досліджень.

У зв'язку з перспективою застосування нанодротів в технології, в даний час ведеться інтенсивний пошук методів синтезу нанодротів і структур на їх основі. Найбільшого поширення в синтезі нанодротів набули методи, засновані на використанні допоміжних структур (шаблонів або темплатов), що просторово обмежують область синтезу і тим самим задаючих товщину металевих нанодротів. В ролі шаблонів можуть виступати циліндрові міцели поверхнево-активних речовин (так звані "м'які шаблони"). Діаметр нанодротів в цьому випадку визначається внутрішнім діаметром циліндрового каналу міцели. У якості "жорсткого" шаблону використовується пористий оксид алюмінію, створений на металі шляхом його електрохімічного окислення (анодування), а також полімерні плівки з нанопорами, створеними методом іонного витравлювання. Синтез нанодротів в цьому випадку полягає в "зарощуванні" пір шаблону металом методом електролізу. Для подальшого використання нанодротів шаблон віддаляється за допомогою селективного підбурювання останнього. Метод отримання нанодротів з використанням шаблонів забезпечує відтворюваність геометричних і фізичних характеристик об'єктів. Проте цей метод складний і мало придатний для отримання великих кількостей [3].

Отже, розкриття даної теми є не лише актуальним, але й сучасним, оскільки застосування нанодротів є досить перспективним у різних галузях техніки.

У розкритті даної теми мені допомогло використання великої кількості літературних джерел.

Дана курсова робота складається з вступу, двох розділів, висновків і списку використаної літератури. В першому розділі йдеться про методику одержання нанодродів, в другому розділі – теоретичний опис процесу вирощування нанодротів [4].

Розділ 1. Вирощування нанодротів

1.1 Синтез за допомогою шаблонів

Синтез нанодротів за допомогою шаблонів є концептуально простим методом виготовлення наноструктур. Шаблони містять дуже малі циліндричні пори або порожнини у матеріалі матриці, порожнина заповнюється потрібним матеріалом, який приймає морфологію пор, для формування нанодротів.

Синтез шаблонів. У синтезі наноструктур з використанням шаблонів необхідно розглядати такі важливі характеристики, як хімічну стабільність і механічні властивості шаблону (маски), а також діаметр, однорідність та густину пор. Шаблони, які часто використовують для синтезу нанодротів, включають анодний алюміній (Al2О3), наноканальне скло, витравлені пучками іонів полімери та плівки слюди. Поруваті шаблони з анодного алюмінію отримуються анодуванням чистих плівок АІ у різних кислотах. При ретельно вибраних умовах анодування отримана плівка окису має регулярну гексагональну структуру паралельних і майже циліндричних каналів, як показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1. а – СЕМ (Скануючий електронний мікроскоп) зображення верхньої поверхні шаблонів поруватого анодного алюмінію з середнім діаметром пор 44 нм; б - СЕМ зображення полікарбонатної мембрани, витравленої частинками з діаметром пор 1 мкм.

Самоорганізація структури пор у шаблоні з анодного алюмінію включає два зв'язаних процеси: формування пор з однаковими діаметрами завдяки тонкому балансу між дифузією, стимульованою електричним полем, що визначає швидкість росту алюмінію, та розчинення алюмінію в кислотному електроліті. Пори вважаються самоорганізованими завдяки існуванню механічних напруг на границі поділу алюміній-алюміній через об'ємне розширення при анодуванні. Ці напруги спричинюють силу відштовхування між порами, викликаючи їх впорядкування у гексагональній решітці. Залежно від умов анодування діаметр пор може систематично змінюватися від < 10нм до 200 нм з густиною пор у області 109-1011 nop/см2. Повідомлялося, що розподіл розмірів пор та впорядкування анодних алюмінієвих шаблонів можуть бути значно покращені методом двокрокового анодування, в якому шар алюмінієвого окису розчиняється після першого анодування у кислотному розчині, за чим слідує друге анодування в таких самих умовах.

Інший тип поруватого шаблону, що звичайно використовують для синтезу нанодротів, є шаблон, який виготовляється хімічним травленням треків частинок, що утворюються після іонного бомбардування, наприклад, полікарбонати! мембрани з травленими треками та плівки слюди.

Наноканальне скло (nano-channel glass - NCG), наприклад, містить регулярну гексагональну структуру капілярів, подібну до структури пор .у анодованому алюмінії з густиною упаковки ~3х1010 пор/см2. Молекули ДНК також використовувалися як шаблон для вирощування нанорозмірних дротів [7].

Діблокові кополімери, тобто полімери, що складаються з двох ланцюгових сегментів з різними властивостями, також були використані як шаблони для вирощування нанодротів. Коли два сегменти не змішуються один з одним, відбувається фазова сегрегація, і залежності від їх об'ємного співвідношення, можуть самоорганізовуватися сфери, циліндри та пластинки. Для формування самоорганізованої структури нанопор використовувалися кополімери, що складалися з полістирену та поліметіметакрилату [6].

1.2 Вирощування нанодротів за допомогою шаблонів та інжекцією під тиском

Метод інжекції під тиском часто застосовується при виготовленні кристалічних нанодротів з матеріалу з низькою температурою плавлення і при використанні поруватих шаблонів з високою механічною міцністю. У методі високотискової інжекції нанодроти формуються тисковою інжекцією потрібного матеріалу у рідкій формі у пори шаблону. Через нагрівання та тиску шаблони, що використовуються для методу інжекції тиском, повинні бути хімічно стабільними і спроможними зберігати свою структурну цілісність при високих температурах та тисках. Плівки анодного окису алюмінію та наноканальне скло є двома типовими матеріалами,, які використовують як шаблони у поєднанні з методом заповнення інжекцією під тиском. З використанням цього методу були виготовлені металеві нанодроти (Bi,In,Sn,Al) та напівпровідникові нанодроти (Se, Те, GaSb, Ві2Те3).

Тиск Р, потрібний для подолання поверхневого натягу рідкого матеріалу для заповнення пор з діаметром dw, задається рівнянням Вашбурна:

dw=-4γcosθ/P (1.1)

де γ - поверхневий натяг рідини і θ - контактний кут між рідиною та шаблоном. Для зменшення потрібного тиску й отримання максимального фактору заповнення зменшенням поверхневого натягу та контактного кута використовують деякі суфрактанти. Наприклад, введення Си у розплав Ві може сприяти заповненню пор у шаблоні з анодного алюмінію рідким Ві та може збільшити число виготовлених нанодротів. Але деякі суфрактанти можуть викликати проблеми забруднення [12].

Нанодроти, виготовлені методом інжекції під тиском, зазвичай мають високу кристалічність та переважну кристалічну орієнтацію вздовж осі дроту. Наприклад, на рис. 1.2. наведено дифракційну картину зборок трьох різних діаметрів дротів з інжекційним тиском ~ 5,000psi, яка показує, що переважна (>80%) кристалічна орієнтація осей дротів у 95 нм та 40 нм діаметрі Ві нанодротів є, відповідно, нормальними до (202) та (012) площин решітки. Вони позначаються [101] та [012] при використанні гексагональної елементарної комірки, що передбачає напрямок росту кристалу залежним від діаметру дроту. З іншого боку, 30 нм нанодроти Ві, виготовлені з використанням набагато вищого тиску > 20,000psi, показують іншу кристалічну орієнтацію - (001) вздовж осі нанодроту. Це свідчить, що переважна орієнтація кристалу може залежати від прикладеного тиску по напрямку найбільш густої упаковки вздовж осі дроту для найвищого прикладеного тиску.

Рис. 1.2. Картина рентгенівської дифракції нанокомпозитів вісмут/анодний алюміній із середніми діаметрами дротів а - 40 нм. b - 52 нм. та c - 95 нм. Індекси Мілера, що відповідають площинам решітки масивного Ві, наведені над індивідуальними піками. Більшість нанодротів Ві орієнтовані вздовж [101] та [012] напрямків для dw >60нм та dw <50нм, відповідно. Існування більш ніж однієї домінуючої орієнтації для 52 нм нанодротів Ві приписується трансляційній поведінці нанодротів проміжного діаметру, оскільки орієнтація переважного ростy зсувається від [101] до [012] із зменшенням dw.[11]

1.3 Електрохімічне нанесення

Метод електрохімічного нанесення привертає увагу як альтернативний метод виготовлення нанодротів. Традиційно електрохімія використовувалась для вирощування тонких плівок на провідних поверхнях. Оскільки електрохімічне нарощування є, як правило, контрольованим у напрямку нормалі до поверхні підкладки, цей метод можна розширити для виготовлення 1D або 0 - D наноструктур, якщо нанесення. зосереджено в межах пор відповідного шаблону. В електрохімічних методах тонка провідна металева плівка спочатку наноситься на один бік пористої мембрани для того, щоб служити катодом для гальванопроцесу. Довжина нанесених нанодротів може керуватися зміною тривалості процесу гальванонанесення. Цей метод використовувався для синтезу широкого кола нанодротів, наприклад, металів (Bi,Co,Fe,Cu,Ni,Ag,Au), провідних полімерів, надпровідників (Рb) напівпровідників (CdS) і навіть надграткові нанодроти з А/В складовими частинами (такі як Си/ Co) були синтезовані електрохімічно.

У процесі електрохімічного нанесення вибраний шаблон повинен бути хімічно стабільним впродовж процесу електролізу. Тріщини та дефекти у шаблонах шкодять росту нанодроту, оскільки процеси нанесення відбуваються переважно у більш доступних тріщинах, залишаючи незаповненими нанопори. Плівки слюди (що були протравлені частинками) або полімерні мембрани є типовими шаблонами, які використовують у простому електролізі при постійному струмі. Для використання плівок анодного окису алюмінію при електрохімічному нанесенні при постійному струмі ізолюючий бар'єрний шар, що відділяє пори від алюмінієвої підкладки, повинен бути видалений, і потім металева плівка напиляється на інший бік шаблону мембрани. Нанодроти Ві2Tе3 були виготовлені з використанням електрохімічного нанесення при постійному струмі в алюмінієвих шаблонах з високим фактором заповнення. Рис.1.3а та 1.3б показують вид зверху і поперечний переріз СЕМ зображень зборки нанодротів Ві2Те3. Світлі області пов'язані з нанодротами Ві2Те3, темні області позначають пусті пори і сіра матриця навколо них є алюмінієм [7].

При необхідності в електрохімічному нанесенні також використовують суфрактанти. Наприклад, при використанні шаблонів, отриманих з РММА/PS діблокових кополімерів, метанол використовується як суфрактант для сприяння заповненню пор, що дає змогу досягти значень фактору заповнення —100%. Можливим застосовувати метод електронанесення при змінному струмі в шаблонах з анодованого алюмінію без видалення бар'єрного шару шляхом використання випрямляючих властивостей оксидного бар'єру. В процесі електрохімічного нанесення з використанням змінного струму, хоча прикладена напруга є синусоїдального та симетричною, струм є більшим впродовж катодних напівциклів, що робить нанесення домінуючим над очищенням, яке відбувається в наступних анодних напівциклах. Оскільки на дефектних місцях не відбувається випрямлення, швидкості процесів нанесення та очищення є рівними і матеріал не наноситься. Таким чином усуваються труднощі, пов’язані з наявністю тріщин. У такий спосіб в пори анодного шблону окису алюмінію були нанесені метали Со, Fe і напівпровідник CdS без видалення бар’єрного шару. На відміну від нанодротів, синтезованих методом інжекції, нанодроти, виготовлені електрохімічне, звичайно є полікристалічними, без переважних кристалічних орієнтацій, як спостерігалося у рентгенівських дослідженнях. Але існують деякі виключення. Наприклад, полікристалічні нанодроти CdS, виготовлені із застосуванням методу електрохімічного нанесення у шаблонах з анодного алюмінію, можливо мають переважну орієнтацію росту вздовж осі-с. Також виготовлялися нанодроти напівпровідників II-VI, включаючи CdS,CdSe,CdTe, шляхом електрохімічного нанесення при постійному струмі в шаблонах з анодного алюмінію у безводному електроліті. Більше того, монокристалічні нанодроти РЬ можуть формуватися імпульсним електронанесенням. Використання імпульсних струмів вважається кращим для вирощування кристалічних дротів, тому що металеві іони у розчині можуть регенеруватися у проміжку між електричними імпульсами, і таким чином, для кожного імпульсу нанесення можна досягти однорідних умов. Імпульсним електронанесенням були виготовлені також монокристалічні нанодроти Ag.

Рис. 1.3. а - СЕМ зображення зборки нанодротів Ві2Те3 в поперечному перерізі, що показує високий фактор заповнення пор; b - СЕМ зображення нанокомпозитної зборки нанодротів Ві2Те3 вздовж осі дроту.

Рис. 1.4.'' а - ПЕМ зображення одиничного Со(10нм)/Сu(10нм) багатошарового нанодроту; b - вибрана область зразка при великому збільшенні.

Страницы: 1, 2