Исследование технологических возможностей метода получения наноструктур на основе графита

1.

«МАТИ»-Российский государственный технологический университет
имени К.Э. Циолковского
Кафедра «Технология производства приборов и информационных систем
управления летательных аппаратов»
Выпускная квалификационная работа магистра на
тему:
: Исследование технологических
возможностей метода получения
наноструктур на основе графита
Студент: Тое Аунг Вэй
Научный руководитель: Проф. Т. Ю.Могильная
9 июня
2011 г.
г. Москва

2.

2

3.

Наносистемы и наноматериалы
• Избыточная поверхностная энергия
• Отсутствие точечных дефектов
• Эволюция наносистем в результате консервативной и
диссипативной самоорганизации
• Наноматериалы обычно формируются как консервативные
структуры, а функционируют и эволюционируют как
диссипативные структуры (стабилизация путем взаимодействия с
окружающей средой)
• Образование металлических кластеров как консервативная с/о
(С.П.Губин)
• Металлизация полимеров как диссипативная с/о (Волынский)
• Фрактальное поведение наносистем (дендриты)
• Закалка диссипативных структур в вязких системах
3

4.

Углеродные наноматериалы
Фулерены
4

5.

Механохимические методы
Cпособы получения систем, содержащих наноразмерные частицы:
1) методы диспергирования.
2) методы агрегации.
Термодинамическая нестабильность наночасти:
движущей силой процесса самопроизвольной
агрегации этих частиц является огромный
избыток поверхностной свободной энергии,
который резко снижается при их укрупнении
Методы конденсации из газовой фазы
1) Стационарные выращивания из объема.
2) Эпитаксиальное выращивание из стационарного объема.
3) Эпитаксиальное выращивание из динамического потока.
4) Выращивание из молекулярных пучков.
5

6. Нанотрубки/нанореакторы

Ordered polymer nanotubes fabricated using porous templates. (Copyright Science J
6

7. Основные методы синтеза

Наноматериалов
Рост /Диспергирование или матричная изоляция? Включение
наноструктур в матрицу или Прямой синтез наноструктур в матрице?
Получение кластеров, кластерные серии («сборка»)
Пиролиз / сажа (фулерены), механо-, электро-, криодиспергирование и
пр. («разборка»)
Методы химической гомогенизации (молекулярное смешение)
• Микрореплики, литография, самосборка
• Полимеризация / каркас
• Золь-гель (трехмерные структуры)
Нанореакторы (нанотрубки, мезопористые матрицы (1D), слоистые
двойные гидроксиды, глины (2D), цеолиты (3D)), темплаты
7

8.

Физико-химические методы и особенности получения
наноструктур на основе графита
установка для получения углеродных
Схема аппарата для производства УНТ
способом лазерной абляции:1 –
инертный газ; 2 – печь; 3 – охлаждаемый
медный коллектор;4 – охлаждающая
вода; 5 – графитовая мишень
Схема установки для получения
углеродных нанотрубок:
1 – графитовый анод; 2 – осадок,
содержащий УНТ; 3 –
графитовый катод;4–
устройство для
автоматического поддержания
межэлектродного расстояния на
заданном уровне; 5 – стенки
8
камеры

9. Синтез в нанореакторах

Самособирающиеся слои
Пленки Лангмюра-Блоджет
9

10.

Химические методы создания наноструктур
Химическая сборка поверхности твердых тел методом
молекулярного наслаивания: а - слой заданной
толщины, б - слой с заданным расположением
монослоев различной химической природы, в многокомпонентные монослои заданного состава
нанокластер
10

11.

Методы исследования макро и микропараметров наноприборов
Электронно-зондовые методы
Основные
No.
Название метода
Принцип действия
Контролируемые
параметры
Основное
применение
Напряжение
1.
Ренгено-
субструктур
структурный
Плотность
анализ
дислокаций
Наноразмерные
биоструктур
текстур
Относительный состав
2.
Оже
Содержание
Классические
спектроскопия
Примесей
нанокомпозиты
Напряжение
Состав в
3.
Сканирующая
приповерхностной
зондовая
Области
микроскопия.
Напряжение
текстура
Наноколлоиды
11

12.

Оптическиие методы
No.
Название методы
1.
Оптическая
сканирующая
микроскопия
Принцып действия
Основные
Контролируемые
параметры
Структуры и фазовые
состояния
Методы модуляционный спектроскопии
Дифференциальная
1.
Спектроскопия прямого
рассеивания
Состав , фазовые
состояния
2.
Дифференциальная
спектроскопия обратного
рассеивания
Состав, структуры
и фазовые состояния
3.
Рамановское рассеивание
Состав, текстура
Структуруа
4.
Фурье спектроскопия
Состав и фазовые
состояния
12

13.

Элементы наносистемной техники на основе
нанотрубок
Нанотрубочный FET в качестве ИКизлучателя.
Пиками
показана
интенсивность
Магнитные устройства хранения информации
Матрица ячеек памяти из
нанотрубок
13

14.

Оценка макропараметров резонансного туннельного диода
Принцип действия и конструкция резонансного туннельного диода
Туннелирование электрона с энергией E через
потенциальный барьер высотой U, U > E
Схема работы и вольтамперная характеристика
резонансного туннельного диода: а – разность
потенциалов равна нулю; б – на прибор подано
резонансное
напряжение,
при
котором
ток
максимальный; в – напряжение больше резонансного; г
– вольтамперная характеристика. Синим цветом
показан энергетический уровень в области между
двумя барьерами, красным – уровни электронов в
области контактов.
14

15.

Оценка параметров резонанса
Прямоугольный потенциальный барьер
Минимальное мощность (W=1эВ). Энергия запрещенной зоны
пп
лазера на длину 0.81 мкм - 2-3 эв. Рассчитан на длину волны 1.56 мкм.
Минимальное напряжение (W=1эВ), достаточно, чтобы в структуре
установился резонанс с длиной волны 0.81 мкм.
15

16. Применение наноматериалов на основе графита

Нанотранзистор
Принципиальная схема элементарного
полупро водникового транзистора
одноэлектронный транзистор
Архитектура КНИ-транзистора
Архитектура SON-транзистора.
16

17. Использование углеродных нанотрубок

Блок-схема дисплея на базе CNT-FED
a) Схема устройства источника рентгеновского излучения,
включающая в себя электронную пушку, линзу в виде
соленоида,
и
мишень
просвечивающего
типа;
b)
вычисленная траектория электронов; c) микроизображение
катода, поверхность которого однородно покрыта
многослойными нанотрубками диаметром около 50 нм и
длиной около 1 мкм.
17

18. Заключение

1. Представлена классификация наноматериалов;
2. Рассмотрены основные методы создания наноматериалов,
используемых в приборостроении как элементы печатных
плат;
3. Изучены существующие и перспективные методы контроля;
4. Рассмотрен физический принцип работы наноприборов;
5. Приведены примеры последних достижений при разработке
массовой технологии в направлении наносистемной техники;
6. Расcчитаны минимальную мощность (W=1эВ), минимальное
напряжение (W=1эВ).
18