Введение

Согласно эмпирическому закону Мура – количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года, что является естественным результатом развития нанотехнологии. Основу наноэлектроники составляют те же самые элементы, что и в микроэлектронике – транзисторы, но с нанометровым размером. Благодаря уникальным физическим свойствам и структурным особенностям углеродные нанотрубки в данном случае являются идеальными претендентами на роль элементов для электронных схем.

То же происходит в биологии и медицине. Получение новых наноматериалов позволяет создавать системы фильтрации и опреснения воды, а также фильтры для очистки газов и воздуха. Благодаря большой плотности нанотрубок на единицу площади подобные фильтры намного быстрее и эффективнее проводят очистку жидкостей по сравнению с распространенными сейчас поликарбонатными фильтрами.

Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры из атомов углерода диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Они обладают особой прочностью и упругостью. При использовании определенных методов получения нанотрубок они получаются малодефектными, с заранее заданной структурой и направлением роста.

Методы получения

Был разработан и запатентован новый способ получения нанотрубок – метод омического нагревания графитовой бумаги [1]. В этом методе для получения углеродных нанотрубок сначала на графитовую бумагу наносят силикагель, содержащий катализаторы (Ni, Co и Fe). Затем бумагу помещают в вакуумную установку и нагревают до 700 oС.

Также использовался ранее разработанный метод магнетронного напыления углеродных плёнок с нанотрубками [2]. Их напыляют в вакуумной камере, используя метод магнетронного напыления при постоянном токе. При этом процесс напыления проводят при давлении инертного газа в камере (1–5) · 10^-2 Торр и силе постоянного тока питания мишени 40 – 100 мА. В качестве мишени используется графит с катализаторами Y, Ni, Co. Данные параметры являются оптимальными. Выход за их пределы снижает коэффициент распыления материала графитовой мишени и уменьшает производительность процесса.

Полученные образцы изучались методами сканирующей туннельной (СТМ), атомно-силовой (АСМ), растровой электронной (РЭМ) и просвечивающей электронной (ПЭМ) микроскопии.Y- и V-образные нанотрубки. Исследования методом СТМ проводились на нанотехнологическом комплексе «Умка» [3, 4]. Сканирование проводилось при непосредственном помещении образца в блок сканирования без дополнительных обработок. Ток сканирования I = 0,5 nA, а напряжение U = 0,5 V. Методом токового отжига графитовой бумаги с использованием наночастиц железа в качестве катализатора были получены Y-образные (рис. 1а) и V-образные (рис. 1б) нанотрубки.

Рис. 1. ЗБ-СТМ-изображение а) Y-образной нанотрубки (размер изображения 0,6 * 0,6 мкм), б) V-образной нанотрубки (размер изображения 2 * 2 мкм).

X-образные нанотрубки и нанотрубки с нанопочками

Образцы, полученные методом магнетронного напыления, исследовались методами ПЭМ. Исследования проводились на микроскопах LEO 912 AB OMEGA и JEM – 2000 EXII. По результатам исследования можно сделать вывод, что углеродная пленка на поверхности золота на слюде содержит нанотрубки различной формы. Например, были обнаружены Х-образные многослойные нанотрубки длиной ~ 1,7 мкм (рис. 2а). А также углеродные нанотрубки покрытые фуллеренами или половинками фуллеренов, так называемыми «нанопочками» (рис. 2б). Нанопочки могут быть полыми или заполнены материалом. В полученных образцах некоторые нанопочки были заполнены частицами катализатора – Y.

Рис. 2. ПЭМ-изображение а) Х-образной многослойной нанотрубки, б) нанотрубок с «нанопочками»

Вертикально-ориентированные нанотрубки и зонды с нанотрубками

Наиболее интересные результаты исследования на растровом микроскопе были получены на образцах пористого кремния подвергавшихся магнетронному напылению. Исследования проводились на микроскопе FEI Quanta 200 3D. Поверхность образцов оказалась покрыта ровным слоем вертикально ориентированных к подложке нанотрубок толщиной ~1,6 мкм (рис. 3). Диаметр нанотрубок 50–60 нм.

Рис. 3. РЭМ-изображение нанотрубок вертикально ориентированных к подложке из пористого

Так же метод магнетронного напыления использовался для получения углеродной нанотрубки на кончике зонда для использования в зондовой микроскопии для прецезионного сканирования (рис. 4а). В качестве заготовок зондов использовалась платино-иридиевая проволока. Сканирование на зондовом микроскопе показало, что зонды с нанотрубками позволяют получать изображение с атомарным разрешением (рис. 4б) даже при сканировании в воздушной среде. Кроме того, подобные зонды отличаются прочностью, малодефектностью и износостойкостью.

Рис. 4. а) РЭМ-изображение зонда с углеродной нанотрубкой, б) изображение высоко-ориентированного пиролитического графита, полученное на зондовом микроскопе с использованием зонда с нанотрубкой

Применение

Основным потенциалом использования нанотрубок в наноэлектронике является возможность создания субмикронных элементов для электронных схем – нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов. Впрочем, работа этих элементов отлична от работы аналогичных элементов в микроэлектронике. По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой – открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.

Углеродные нанотрубки с «нанопочками» обладают большей площадью поверхности и большим количеством точек – источников эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения. Появление нанопочки на поверхности углеродной нанотрубки изменяет электронные свойства трубки в данной области, что может быть использовано в различных приложениях, таких как квантовые точки и устройства памяти терабитного диапазона на их основе.

Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок так же пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком.

Другими продуктами наноэлектроники из нанотрубок могут стать топливные элементы и энергоустановки на их основе. В настоящее время в топливных элементах используются электрокатализаторы (металлы платиновой группы) на углеродных носителях, но нанотрубки являются наиболее эффективным видом носителей катализаторов для данных задач.

Для создания фильтров на основе нанотрубок наиболее пригодны нанотрубки вертикально ориентированные к подложке. Благодаря большой плотности нанопор на единицу площади подобный фильтр намного быстрее проводит очистку жидкостей. Это позволяет создавать на основе наномембраны системы фильтрации и опреснения воды, а также фильтры для очистки газов и воздуха. По сравнению с поликарбонатными фильтрами, нанотрубки характеризуются и меньшим пределом пропускаемых частиц.

Зонды с нанотрубками применяются как для прецезионного сканирования, так и для нанолитографии. Кроме того, особоострые зонды найдут свое применение в начинающей развиваться новой области зондовой микроскопии – спектрометрии для туннельно-спектроскопических измерений.

Заключение

Описанные методы получения углеродных нанотрубок обеспечивают быстрое и малозатратное получение практически любых видов нанотрубок с заранее заданными свойствами. Получаемые нанотрубки наиболее пригодны для использования в наноэлектронике, нанобиологии, зондовой микроскопии и других новых областях науки и техники.