Технологія синтезу нанодротів (стр. 4 из 4)
В процесі реакції утворилася чорна сажа, яка, як виявився при найближчому розгляді, складається з множини нанодротів довжиною в декілька мікрометрів. Більш того, було виділено 2 типи дротів – одні є простими дротами діаметром 20-30 нм, а інші є коаксіальними структурами з внутрішнім діаметром 10-20 нм і зовнішнім 20-30 нм. Останні складають близько 20% від загального числа дротів. У докритичному стані нанодроти не утворюються, і лише досягши тиску 20 МПа вони стають основним продуктом синтезу. У відсутність органічного розчинника (толуолу) формування дротів не відбувається [10].
За даними EDS (EnergyDispersiveX-raySpectroscopy) і ПЕМ, серцевина коаксіальних дротів складається з оксиду вольфраму, а оболонка утворена аморфним вуглецем. З даних рентгенівської дифракції було визначено, що серцевина сформована моноклінними кристалами WO3, і таку ж структуру мають і прості нанодроти.
Розділ 2. Кінетика формування нанодроту в процесі вакуумної конденсації металів на поверхню кристала
Одним з основних способів створення дискретних наноструктур є вакуумна конденсація з парової фази. Зокрема, формування нанопроволок металів на поверхні Si при вакуумній конденсації.
Зародження острівців при вакуумній конденсації може відбуватися як на бездефектних ділянках підкладки, так і на активних центрах. При декоруванні острівцями металів поверхні іонних кристалів виборче зародження відбувається на дефектах наступних типів: центрах фарбування, атомах домішок, вакансіях, поверхневих дефектах деформаційного походження (лінії ковзання, ступені скла) і дефектах зростання (ступені зростання, дефекти "шероховатих" поверхонь, виходи дислокацій). За допомогою методу декорування поверхні підкладки Бетге візуалізував моноатомні ступені на поверхні скла монокристала NaCl при вакуумній конденсації золота. На площині скла (100) кристала кам'яної солі декоруючі частинки Au маються в своєму розпорядженні рядами уздовж ступенів і у вигляді ізольованих частинок на гладких ділянках. Лінійна щільність зародків на ступенях скла на порядок більше, чим на решті частини підкладки, що може приводити до утворення суцільного нанодроту на ступенях раніше, ніж на бездефектній підкладці наступить поріг коалесценції. В цьому випадку нанодріт уздовж ступенів можна використовувати як провідник електричного струму [8].
Слід зазначити, що в острівних металевих плівках на діелектриці перенесення заряду від острівця до острівця здійснюється декількома механізмами, основними з яких є термоелектронна емісія і тунелювання (скачкова провідність), причому зазвичай переважає останній. Вірогідність тунелювання експоненціально збільшується із зменшенням міжострівного проміжку, тому острівні плівки стають провідними ще до настання коалесценції. Електропровідність острівкових плівок зареєстрована при характерній відстані між острівцями 100 Å.
Навколо поверхневих стоків утворюються зони захоплення, де із-за зниженої концентрації адатомів мала вірогідність утворення острівців. Із зростанням острівця число місць адсорбції, яке він займає, і площа зони його захоплення безперервно збільшуються. У справжній роботі розмір зони захоплення приймається рівним декільком міжатомною відстанню.
Дана модельна система є кристалічною підкладкою з діелектрика (для конкретних обчислень — іонний кристал), що містить ступені і активні центри зародження (вакансії в поверхневому шарі), на яку конденсуються металеві атоми з потоку R (cm-2s-1). Конденсація вважається повною, вірогідність створення зародків на бездефектних ділянках підкладки приймається малою. У моделі не враховується розпад зародків на підкладці, тобто один атом металу на ступені або на активному центрі є стабільним зародком, якого далі називатимемо острівцем. Ступені і активні центри розглядаються як нескінченні стоки для дифундуючих до них адсорбированых атомів. Таким чином, на підкладціпротікають два процеси, контролюючих кінетику зростання острівців на ступенях і активних центрах: притока атомів на підкладку за рахунок вакуумної конденсації і дифузійний відтік адатомов до ступенів і активних центрів зародження. Час формування нанодроту приймається рівним часу зростання острівців на ступені до фізичного зіткнення з сусідами. У цей момент на решті частини підкладки ступінь покриття такий, що коалесценція відсутня, і радіус острівця rpзначно менше відстані між ними [13].
Для випадку повної конденсації рівняння дифузії адатомов до ступенів запишеться у вигляді
(2.1)де c(x, t) — концентрация адатомов на підкладці; D— коефіцієнт поверхневої дифузії; Nd— поверхневащільність дефектів на підкладці; N0 — щільність місць адсорбції; σ — число захоплення адатомів активним центром, яке визначається кількістю місць адсорбції, занятих куполоподібним острівцем, з врахуванням місць адсорбції в самій зоні захоплення.
Коефіцієнт дифузіївизначається стандартним виразом
(2.2)де Ed— енергія активації дифузії; η — ймовірність того, що нове місце адсорбції дифундуючого атома вільне. Так як число місць адсорбції значно превищує число атомів на підкладці, можна прийнятиη = 1.
Початкові і кінцеві умови для рівняння (1) наступні: c(x, 0) = 0 (в початковий момент часу концентрація конденсованих атомів на підкладці рівна нулю); c(0, t) = c(L, t) = 0 (концентрація адатомів на ступенях рівна нулю протягом всього часу конденсації).
Розв’язок рівняння (2.1) має вигляд
(2.3)де L — відстань між ступенями.
Час формування нанодротуtkрозраховується шляхом прирівнювання об’єму напівсферичного зародкаа на ступені в момент, коли він торкнеться з сосідами, і сумарного об’єму атомів, які його формують,
(2.4)Тутrzstep — радіус зародка на ступені, a— період градки підкладки, Q— число атомів, досягнувшихступені, Nzstep — гусина зародків на ступені, y— довжина ступені (в разрахункахy= 1).
Число атомів, що досягли ступеня, рівне кількості напилених атомів без урахування захоплених дефектами і вільних адатомов на підкладці
(2.5)де S — площа підкладки, S = Ly.
З рівняння (2.4) з обліком (2.5) знаходимо час формування нанодроту з острівців півсферичної форми
(2.6)Розмір зародка на підкладці rzsу момент tkзнаходиться із співвідношення
(2.7)де Qs— число атомів, продифундувавших до центрів зародження. Очевидно
(2.8)Тому
(2.9)Ступінь заповнення підкладки між ступенями Z визначається по формулі
(2.10)У роботі використовуються наступні значення величин: Ndприймається рівній рівноважній густиніі вакансій (≈ 5 · 1010cm-2 ); ν = 103s-1; L = 2.5 · 10‑6cm). Величина σ визначається як середнє арифметичне між мінімальним значенням (≈50) і максимальним, яке оцінюється за середнім розміром острівця на момент часу tk[13].
Висновки
1. В дані роботі зроблено спробу в розумінні наносвіту і його законів. Було опрацьовано 13 літературних джерел на тему одержання нанодротів.
2. Розглянуто вісім методів синтезу нанодротів. Зроблено порівняльну характеристику цих методів. Найбільш широко використовується у промисловості VLS (пара-рідина-тверде тіло) метод. Перевагою даного методу є доступність сировини (кремнію) та простота конструкції установки вирощування. Недолікам є важка очистка матеріалів. Це можна обійти в методі синтезу за допомогою шаблонів. Але поряд з тим в даному методі важко конторолювати сам процес росту нанодротів. Це усувається у електрохімічному методі. Ріст нанодротів в даному методі є, як правило, контрольованим у напрямку нормалі до поверхні підкладки. Мінусом електрохімічного методу є невелика заповненість пор у шаблоні. Ще одним перспективним методом є нанесення з парової фази. Даним методом можна добувати високо чисні нанодроти і строго заданої форми. До мінусів можна віднести молу кількість речовин, які можуть бути використані у синтезі нанодротів.
3. Розглянуто фізичні основи нанодротів та перспективи їх використанню.
Список використаної літератури
1. Ли В.Н., Кондратьев А.И., Титов В.А.,. Игнатенко И.В., ХимухинС.Н Неразрушающий контроль состояния контактного провода // Известия вузов. Приборостроение. – 2007. – Т.50, № 9. – С. 61-64
2. Верхотуров А.Д., Ершова Т.Б., Бару Л.Л., Дворник М.И. Минералогическое материаловедение – основа получения функциональных материалов из минерального, техногенного и вторичного сырья. // Известия высших учебных заведений. Горный журнал.– 2008. – Т.12, №5. – С. 91-97.
3. Заводинский В. Г. Квантово-механическое исследование упругих свойств наночастиц и процессов их агломерации. // Российские нанотехнологии. – 2008. –Т.2, № 11-12. – С. 58-62.
4. Верхотуров А.Д., Шпилёв А.М., Коневцов Л.А. Современное неорганическое материаловедение. // Химическая технология. – 2008. – Т.19, № 7. – С.11-15.
5. Верхотуров А.Д., Шпилёв А.М., Коневцов Л.А. Методологические основы становления и развития материалогии и роль технологии комплексной переработки минерального сырья для получения материалов с заданными свойствами. // Горный информационно- аналитического бюллетень. – 2007. – Отдельный выпуск № ОВ16. – С. 212-228.
6. HandbookofNanostructuredMaterialsandNanotechnology, v. 1 (AcademicPress, SanDiego – Tokio, (2000) pp.327-360.
7. Сторонський О.В., Міца В.М. Фізика і техологія нанообєктів. Курс лекцій. Частина 1. – Ужгород, Ужгородський національний університет, фізичний факультет, 2009 р.
8. Алешин А.Н. Квантові точки // ФТТ. -49, 11.- 2007. – С.19 - 21.
9. Верхотуров А.Д., Ершова Т.Б., Бару Л.Л., Дворник М.И. Минералогическое материаловедение – основа получения функциональных материалов из минерального, техногенного и вторичного сырья. // Известия высших учебных заведение. Горный журнал. – 2008. –Т.34, №5. – С. 91-97.
10. Нанотехнологія в найближчому десятилітті, прогноз напряму досліджень. Під редакцією К.Роко, Р.С.Уїльямс і П.Алівісатос, переклад з англ. А.В.Хачояна, Р.А.Андрієвського, – М.: Мир, 2002,–234с.
11. Покропивний В.В., Поперенко Л.В. Фізика наноструктур, – К.,2008, – 220с.
12. Раков И.Г. Отримання нанодротів// Успіхи хімії. - 2007. - Т. 76. - № 1. - С. 3‑26.
13. Раков И.Г. Нанотрубки і фуллерены, – М.: Логос, 2006.