Способ получения углеродных наноструктур путем магнетронного реактивного распыления графита в возгоняемых парах ароматических углеводородов

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к способам получения углеродных наноструктур, таких как углеродные нанотрубки, нанонити и графеновые структуры,которые могут быть использованы в наноэлектронике в качестве частей электронных схем и приборов. В способе получения углеродных наноструктур путем реактивного магнетронного распыления с ароматическими углеводородами,таких как нафталин, фенантрен, антрацен и др. Предложенным способом получены углеродные наноструктуры (нанотрубок, нанонити и графеновые структуры) на больших площадях наиболее простым способом из всех известных. Это в перспективе позволит получать наноструктуры в промышленном производстве.(72) Байтимбетова Багила Абдисаматовна Верменичев Борис Михайлович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР ПУТЕМ МАГНЕТРОННОГО РЕАКТИВНОГО РАСПЫЛЕНИЯ ГРАФИТА В ВОЗГОНЯЕМЫХ ПАРАХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Изобретение относится к нанотехнологиям, в частности к способам получения углеродных наноструктур, таких как углеродные нанотрубки,нанонити и графеновые структуры, которые могут быть использованы как перспективный материал в самых различных областях техники и технологии. Известен способ получения углеродных наноструктур и нанотрубок, Пат. РФ 2355625 опубликовано 20.05.2009, В 82 В 3/00 включающий магнетронное напыление на подложку при постоянном токе в вакуумной камере в атмосфере инертного газа углеродных пленок с нанотрубками,что используют подложку, выполненную с заданными выступающими неровностями ее поверхности, а перед магнетронным напылением на подложку наносят катализатор в виде тонкой пленки металла. В качестве подложек использовалась слюда, покрытая тонким слоем золота. Напыление тонкого слоя золота осуществлялось путем термического нагревания золота в вакуумной камере. После чего проводился отжиг подложек, что приводило к равномерному распределению пленки золота по поверхности слюды. В результате образовалась пленка толщиной 1 мкм и менее. Эти подложки помещались в вакуумную установку, и ее откачивали до давления 10-5 Торр. Далее магнетронное напыление углеродной пленки происходило в остаточной атмосфере инертного газа. В качестве подложки также использовался алюминий, поверхность которого представляла собой дорожки с заданной шириной 0,74 мкм. Эти подложки также покрывались тонкой пленкой золота и отжигались. После чего проводилось магнетронное напыление углеродной пленки с нанотрубками. К недостаткам этого метода относится, процесс получения нанотрубок многостадийным и дорогостоящим, требующим достаточно много времени процессом. Другой способ получения нанотрубок является Пат. РФ 2294892 опубликовано 11.07.2007, В 82 В 3/00 модификации графитовой бумаги с помощью токового отжига с предварительным нанесением силикагеля. Токовый отжиг проводят при температурах 650-750 С и давлении (1-5)10-5 Торр в остаточной атмосфере инертного газа. В этом способе углеродные нанотрубки образуются при достижении области температур 650-750 С. Повышение температуры выше 750 С приводит к уменьшению количества нанотрубок в образцах. При температуре ниже 650 С вместо углеродных нанотрубок образуются нановолокна. Этот способ был реализован путем магнетронного распыления. Предварительно брали графитовую бумагу разных толщин и плотностей. На графитовую бумагу наносили силикагель, содержащий нитрат , Со,и их сплавы, и сушили при комнатной температуре. Таким образом, получали тонкий слой силиката с равномерным распределением нитраты металлов на графитовой бумаге, которая затем помещалась в вакуумную установку, и создавалось давление 10-5 Торр. Далее происходил последовательный отжиг графитовой бумаги в остаточной атмосфере 2 инертного газа. При достижении температуры 650 С начиналось образование углеродных нанотрубок. В данном примере через 2-3 минуты происходило насыщение, и рост нанотрубок прекращался. К недостаткам этого метода относится, также процесс получения наноструктур является двух стадийным и требует много затрат времени. Получение нанотрубок в виде глобулах образуются только при определенных температурах и содержат множество дефектов. В ряде известных традиционных методов получения тонкопленочных углеродных структур магнетронным распылением,предусматривает напуск реактивного газа, например метана фиг.1 а),через систему натекателя с газопроводом от баллона с газом в рабочую камеру вакуумной установки, где смешиваясь с базовым газом аргоном, создает благоприятную среду для синтеза углеродных пленочных структур. Технической задачей изобретения является получение нанотрубок, нанонити и графеновые структуры,обеспечивающего возможность получения по более простой технологии. Преимущество предлагаемого нового способа получения нанотрубок, нанонити и графеновых структур, что в качестве реактивного газа используются ароматические углеводороды,например нафталина, фенантрен, антрацена и др. Молекулярная структура этих ароматических углеводородов состоит из бензольных колец окруженных атомами водорода, которые при реактивном магнетронном разряде освобождаются и уносятся системой вакуумной откачки, а остовы этих молекулярных структур аналогичны графеновым ячейкам. При осаждении формируются в зависимости от подложек различные наноуглеродные структуры. Аналогов получения наноструктурных углеродных материалов данному методу не обнаружено. Технический результат в предлагаемом изобретении заключается в получении тонкопленочных углеродных наноструктур(нанотрубок, нанонити, графеновых структур) при магнетронном разряде. Это достигается тем, что в качестве реактивного газа используются пары ароматических углеводородов, вещество которых размещается непосредственно внутри рабочей вакуумной камеры. В этом способе используется способность ароматических углеводородов возгоняться при комнатных температурах, пары которых служат в качестве реактивных газов при магнетронном распылении. Катодом служит графитовый диск, отделенный от водяной камеры охлаждения алюминиевой фольгой,для предотвращения просачивания охлаждающей воды через поры графитового катода. Данный способ был реализован с помощью вакуумной установки, представленной на фиг.1 а, б. Она состоит из графитовой мишени 1, заслонки 2,держателя образца (подложка) 3, дюралевого столика 4, рабочей вакуумной камеры 5, натекателя 6 для реактивных газов, баллона 7 с аргоном,баллона 8 с (для традиционных методов с газом метаном),диффузионного насоса 9,высоковольтного блока питания 10, форвакуумного насоса 11, пенала для возгоняемых веществ 12(фиг.1 а). Наш способ исключает наличие газового баллона 8 путем замены его на емкость для жидких ароматических углеводородов, газопровода и натекателя. Вещество ароматических углеводородов помещается внутрь (на дно) вакуумной камеры,исходное давление, в которой составляло 510-5 Торр. Возгоняемые пары ароматических углеводородов обеспечивают магнетронное реактивное распыление графитового катода 1(фиг.1 б). Для веществ с большими скоростями испарения предусматривается пенал 12 с отверстием, для выхода паров испаряемого материала. Диаметр этого отверстия согласуется со скоростями возгоняемых веществ. При наличии на дне нескольких граммов ароматических углеводородов (нафталина) давление в камере составляло 510-3 Торр, после напуска рабочего газа аргона до 610-2 Торр происходил разряд при токе 150 мА и напряжении 200-300 В. В качестве подложек используется стекло, железо, скотч, кварц,алюминиевая пластина и др., которые крепились на дюралевом столике. Напыление проводилось от 20 минут до 1 часа. Сущность метода заключается в формировании наноструктурных углеродных материалов(нанотрубки, глобулы, нанонити, графеновые структуры) на подложках из паров ароматических углеводородов при реактивном распылении от графитового катода. Пары ароматических углеводородов поступают в одном случае для жидких веществ из емкости через натекатель вакуумной камеры. В другом случае для твердых ароматических соединений, используется эффект возгонки этих веществ непосредственно в рабочей вакуумной камере. Поступление паров, в последнем случае, обеспечивается через диафрагму пенала(фиг.1 б). Исследование образцов методами спектроскопии комбинационного рассеяния света и сканирующего атомно-силового электронного микроскопа показали, что полученный материал содержит в значительном количестве леса углеродных нанотрубок, нанонити и графеновых структур. Результаты представлены в фиг.2 и в таблице. В результате получены углеродные нанотрубки,нанонити и графеновые структуры на больших площадях наиболее простым способом из всех известных. Этот метод может быть использован и при формировании широкого спектра различных пленочных наноуглеродных структур (нанотрубок,нанонити и графеновые структуры) от веществ,возгоняемых при обычных температурах. Таблица Способ получения углеродных наноструктур, в том числе нанотрубок, нанонити и графеновых структур включающий напыление углеродных пленок в вакуумной камере в атмосфере инертного газа, отличающийся тем, что напыление углеродных пленок, содержащих наноструктуры производят путем магнетронного реактивного распыления графита в возгоняемых парах ароматического углеводорода,такого как нафталина, после загрузки твердых ароматических углеводородов давление в камере возрастало до 510-3 Торр, после напуска рабочего газа аргона до 610-2 Торр происходил разряд при токе 150 мА и напряжении 200-300 В.