Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Увеличение диаметра длинных углеродных нанотрубок в процессе роста
Возможность использования углеродных нанотрубок (УНТ) в нанотехнологии стимулирует усилия исследователей, направленные на выращивание больших массивов вертикально ориентированных УНТ. Эти усилия уже привели к созданию методов получения нанотрубок длиной свыше одного миллиметра. Однако детальные исследования таких УНТ, выполненные сотрудниками Univ. of Tokyo (Япония), указывают на существенную неоднородность структуры нанотрубки по длине.
В качестве подложки использовали кремниевую пластину, покрытую оксидным слоем и обработанную смесью H2SO4/H2O2. На подложку наносили слой Al толщиной 15 нм, который частично окислялся на воздухе. Затем на этот слой наносили слой Fe толщиной 1.0 нм, после чего подложку помещали в CVD реактор, представляющий собой трубку диаметром 34 мм с длиной горячей зоны 300 мм. Подложка в реакторе подвергалась термообработке при температуре 1073 К в потоке H2O/Ar (соотношение 26:74), подаваемом при атмосферном давлении со скоростью 500 см3/мин. В результате такой обработки частично окисленный слой Al превращался в разупорядоченный оксид Al-Si-O, а слой Fe распадался на наночастицы.
УНТ синтезировали пропуская через реактор смесь С2Н4 (8 %), Н2 (26 %), Н2О/Ar в течение 20 мин при атмосферном давлении и температуре 1073 К. Наблюдения, выполненные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показывали, что при этом формировался массив вертикально ориентированных однослойных УНТ высотой 0.8 мм. Диаметр синтезированных нанотрубок при этом зависит от продольной координаты (рис. 1), плавно уменьшаясь от 3.5 нм у основания УНТ до 1.7 нм у вершины. Эти выводы подтверждены результатами измерений спектров комбинационного рассеяния (КР) образцов. Как известно, положение спектральных линий КР, соответствующих радиальным “дышащим” (breathing) модам, указывает на величину диаметра нанотрубки. Согласно измерениям спектров КР, диаметр УНТ изменяется в диапазоне от 0.8 до 2.5 нм.
Рис. 1. Зависимость диаметра УНТ (мм) от расстояния до вершины (нм)
Наряду с этим наблюдались и другие структурные особенности массива нанотрубок. Так, нанотрубки вблизи вершин объединены в жгуты, в то время как у основания УНТ изолированы друг от друга. Цилиндрическая структура некоторых нанотрубок в области оснований искажена таким образом, что поперечное сечение УНТ имеет эллиптическую, а не круговую форму. Часть нанотрубок у основания изогнута.
В качестве объяснения наблюдаемого изменения диаметра УНТ в процессе роста авторы [1] предлагают механизм, основанный на изменении диаметра частиц катализатора. Согласно наблюдениям, в рассматриваемых условиях имеет место базовый механизм роста, при котором частицы катализатора находятся вблизи основания нанотрубки. При таком объяснении наблюдаемый эффект уменьшения диаметра нанотрубки с высотой находится в соответствии с обнаруженным в эксперименте явлением увеличения размера частиц катализатора в процессе роста нанотрубки. Наряду с увеличением размера частиц наблюдается также сокращение их количества, что указывает на перераспределение катализатора в процессе роста.
Рис. 1. Зависимость диаметра УНТ (мм) от расстояния до вершины (нм)