Получение и исследование свойств углеродных покрытий, содержащих фуллерены

В последние годы очень бурно развиваются методы получения фуллеренов и нанотрубок [60−63]. Открытие фуллеренов и идентификация углеродных нанотрубок стимулировали резкий всплеск исследований этих образований и стали определенным этапом в развитии нанотехнологий, материаловедения, промышленной технологии, медицины.

Получение углеродных пленок, содержащих фуллерены С_№ и С₇₀, — актуальная задача, связанная с разработкой нанотехнологий и новых наноматериалов. Практическое применение они находят уже сейчас во многих областях. Их электрические, оптические и механические свойства указывают на значительные перспективы использования их в ряде технических приложений. Проводятся обширные исследования по применению фуллереновых покрытий в электронике. Использование углеродных покрытий на основе фуллеренов позволяет получать минимальные сверхпроводящие, проводящие, полупроводниковые и изолирующие структуры для наноэлектроники, создавать логические устройства, использующие уникальные магнитные и проводящие свойства этих наноструктур для записи и хранения огромных объемов информации [60−63]. Они уже сейчас используются при создании пленок в литографии (Санкт-Петербург, ЗАО «Авангард-Элионика»). В Институте физики полупроводников РАН идет разработка новых технологий нанолитографии и безмасочного изготовления наноприборов и атомноразмерных объектов, там же проводятся теоретические и экспериментальные исследованиямногослойных структур для создания элементов микрои фотоэлектроники. Созданное с их помощью новое поколение фоторезистов приводит к уменьшению линейных размеров до 0,2 мкм и использованию одного и того же резиста для ультрафиолетового, рентгеновского и электронно-лучевого процессов литографии. Созданием на основе фуллеренов элементов памяти занимаются в ЦНИИРТИ, где разрабатываются новые поколения компьютерной памяти плотностью информации —10¹² бит/см². Магнитные запоминающиеся устройства на основе комплекса фуллерен С₆₀+ редкоземельный элемент исследуется в Санкт-Петербурге. В Институте микроэлектроники (ИМРАН) ведутся работы по созданию памяти на самоорганизующихся углеродных наноструктурах. Приборы на основе квантовых ям, фуллеренов и нанотрубок: одноэлектронные транзисторы, транзисторы с резонансным туннелированием — проектируются многими научными центрами (МГУ, ИМРАН). Созданием одноэлектронных приборов на основе фуллеренов занимаются в Институте физики полупроводников.

Корпорация «Мицубиши» проводит исследования по использованию фуллереновых покрытий в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, при этом их емкость в 5 раз больше.

Фуллеренами называют класс молекул, состоящих из атомов углерода С и образующих оболочки с 12 пятиугольными кольцами и шестиугольными кольцами. Классический фуллерен С_т состоит их шестидесяти атомов углерода (рис. 3.20). Менее широко распространены и производятся фуллерены С₁₀, состоящие из семидесяти атомов углерода.

На рис. 3.21 представлена одна из разновидностей нанотрубки.

Широкие возможности применения имеют пленки углерода в виде фуллеренов С₆₀ и С₇₀ для создания новых фотоэлектрических устройств, логических и запоминающих устройств, сверхпроводящих материалов, нанесение фуллереновых пленок с высокой лазерной устойчивостью на источники лазерного излучения, образование защитных фуллереновых пленок в полевых эмиттерах, на поверхностях трения для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами и т. д.

Для получения содержащих фуллерены тонкопленочных углеродных покрытий мы использовали метод, основанный на сверхбыстром осаждении на подложку плотной высокотемпературной абляционной плазмы, создаваемой при облучении графитовой мишени импульсными мощными ионными пучками (МИП). Меняя условия осаждения пленок, можно менять характеристики покрытий.

Нами было проведено осаждение на подложки из кремния содержащие фуллерены углеродные, на трех различных ускорителях с различными параметрами:

Ускоритель «Темп» (Томск, Россия): ускоряемые ионы: 70% Н+, 30% С+. Энергия ионов Е = 300 кэВ, плотность энергии ионного пучка в фокусе Ф = 5 Дж/см², длительность импульса т = 60 нс.

Ускоритель «Вера» (Томск, Россия): ускоряемые ионы: 60% Н+, 40% С+, Е = 500кэВ, т = 100 нс, Ф = 15 Дж/см².

«RHTPP-1» (Альбукерке, США): ускоряемые ионы: 0+, N+, Е = = 750 кэВ, Ф = 30 Дж/см², т = 100 нс.

Для обнаружения в пленке фуллеренов выполнялся рентгеноструктурный анализ состава пленок на дифрактометре XRD 6000. В табл. 3.2 представлен структурно-фазовый состав содержащих фуллерены углеродных покрытий для различных расстояний от мишени до подложки d_rs-

Таблица 3.2.

Экспериментальные результаты рентгеноструктурного анализа содержащих фуллерены углеродных покрытий