Введение к работе
Актуальность темы
Углерод является объектом непреходящего интереса исследователей с | давних времен, что обусловлено уникальными свойствами! его многообразных форм, среди которых лидирует алмаз.
Наноразмерные системы - сравнительно молодой объект исследования, но иа современной этапе один из актуальнейших в физике, в частности - в связи с идеен наноэлектроннки как электроники будущего.
Поэтому в последние годы все возрастает интерес к наноразмерным объектам. Это связано с тем, что они проявляют свойства, существенно отличающиеся от свойств материалов в массивном состоянии. Именно в наноразмерннх объектах возможно проявление принципиально новых эффектов н явлений, которые составят основу технологий будущего. Обнаружено, что для веществ в наноразмерном состоянии кардинально изменяется диаграмма фззовой стабильности.
Таким образом, ультрадисперсний алмаз (частицы размером 1-10 им) находится на перекрестке этих двух интересных направлений исследований, являясь одновременно н углеродным, п напоразмерным объектом.
Первые работы по синтезу УДА. в условиях взрыва появились в
шестидесятых годах, получили второе дыхание и стали активно развиваться
в восьмидесятых. Установлена ачмазная структура частиц УДА,
определены их размеры. Изучены и оптимизированы условия получения УДА, предотвращения их графитшации и очистки.
Однако, .к і.моиенту постановки задачи оставалось и много неисследованных, спорных, неоднозначно интерпретируемых и до последнего времени иенашедшпх объяснения вопросов, как то: по структуре - какова степень совершенства кристаллической решетки наноалмазов, наличие в них структурных дефектов. Это связано с трудностью интерпретации особенностей дифрзишонных рефлексов, обусловленной наложением вкладов размерного эффекта и структурных дефектов.
Во многом неисследовашюстъ УДА обусловлена неприменимостью традиционных методик исследований к напоразмерным системам.
Несмотря на возможность получения УДА в больших количествах, его использование ограничивалось применением в качестве добавок к топливам и маслам для оптимизации работы машин.
Попытки же получить алмазные монолиты (спекн. пленки) на основе УДА,' где бы реашізовьшались свойства алмаза (работала алмазная структура) были безуспешными.
Настоящая работа посвящена
алмазосодержащим материалам, полученным методом взрыва смеси тринитротолуолЛексоген в различных, средах,
ультрадисперсному алмазу как основному элементу их компонентного состава,
кленкам на основе УДА.
Целью работы являлось изучение
а) фазового состава алмазосодержащих материалов - продуктов
взрывного синтеза,
б) атомной и электронной структуры наноалмазных частиц,
в) получение тонких УДА пленок,
г) исследование их структуры.
В связи с этим решались следующие задачи:
-
Разделение н исследование компонентов, входящих в состав детонационных суспензий.
-
Разработка методики анализа данных электронной дифракции УДА порошков для получения распределения кристаллического потенциала в иапоагшазной частице.
-
Электронная Оже-спектроекопия УДА порошков с целью исследования атомной структуры.
-
Спектроскопия комбинационного рассеяния как независимый метод анализа атомной структуры.
-
Исследование процесса лазерного испарения УДА (порошка, спрессованного в таблетки).
-
Разработка метода получения нанокристалличееких алмазных пленок путем лазерного испарения УДА.
-
Исследование атомной структуры я электронной структуры поверхности получаемых пленок.
-
Применение УДА пленок как зародышевых слоев для последующего наращивания алмазных пленок методом химической кристаллизации из активированной газовой фазы.
Научная потниц работы состоит а той, что в ней впервые:
1. В продуктах взрыва наряду с известными углеродными компонентами
обнаружены цепочки карбнна. Это позволило
а) выдвинуть предположение об образовании УДА яз карбнновых
цепочек,
б) подтвердить его на модельном эксперименте с использованием
углеродных цепочек, полученных химическим методом,
в) обменить старение суспензии - структурные превращения в них,
необъяснимый ранее эффект роста алмазной компоненты в процессе
выпаривания жидкой фазы.
-
На основе исследований атомной структуры порошков УДА и электронной структуры нх поверхности доказано, что наночастицьг алмаза состоят из монокрпсталлпческого алмазного ядра с деформированными приповерхностными слоями (1-4 сдоя). Степень деформации зависит от электронной структуры и химического состава поверхности п может быть управляема условиями синтеза и химической очистки.
-
На осноге предсташіения об атомной структуре УДА частиц предложена идея получения направленных потоков алмазных наночастпц методом лазерного испарения УДА с сохранением алмазных ядер.
-
Экспериментально реализованы условия лазерной возгонки УДА частиц, предотвращающие деградацию алмазной компоненты, и получения УДА пленок
Практических ценность работы.
-
Разработаны физические основы метода получения направленных потоков алмазных частиц и формирования тонких ультрадисперсных пленок алмаза лазерным испарением порошков УДА.
-
Экспериментально показана . перспективность использования пленок УДА в качестве зародышевых слоев с плотностью центров нуклеации 10^2. см"2 для последующего наращивания CVD алмаза. Это позволяет:
а) уменьшить в 4-5 раз размер неоднородности пленок толщиной 1
мкм,
б) получать тонкие сплошные алмазные пленки толщиной 0.5 мкм,
в) расширить ряд материалов, на которых в процессе CVD могут
быть выращены качественные алмазные пленки,
г) получить алмазные покрытия па образцах WC-Сс.без барьерного слоя.
-
Установленная корреляция особенностей атомной и ачектронной структуры УДА и спектров комбинационного рассеяния света создает основу КР диагностики ультрадисперсных алмазных сред.
-
Взаимосвязь электронной структуры поверхности н атомной структуры в объеме алмазной частицы открывает перспективы осуществления фазовых превращений в УДА путем управлення химическим составом поверхности. Таким способом могут быть получены метастабнльные фазы углерода, предсказанные теоретически, но не реализованные до снх пор в макрообъемах, что позволит в перспективе расширить круг наноразмеррных материалов с широкий спектром свойств на основе углерода.
Положения, выносимые па защиту.
1. Состав продукта взрыва смеси трннитроголуол/гсксоген в воде и его
-
Кристалл УДА является идеальным монокристаллом с деформированными приповерхностными слоями, обусловленными реконструкцией поверхности. Видоизменением химического состава поверхности можно управлять деформацией частиц.
-
Метод формирования алмазных пленок лазерным испарением УДА.
-
Получение в процессе химической кристаллизации из активированной газовой фазы с использованием УДА пленки как зародышевого слоя
а) тонких алмазных пленок,
б) однородных АП,
в) с хорошей адгезией на поверхности WC-Co.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на "IV Межрегиональном совещании "Тонкие пленки в микроэлектронике", (1993, Улан-Удэ); II Международной конференции по наноразмерным материалам и нанотехнологиям "Нано-2" (1993, Москва); 11 Международном симпозиуме по алмазным пленкам, (1994, Минск); 4lh European Conference on Diamond, Diamond-like and Related Materials, (1993, Algarve, Portugal); Межгосударственной конференции стран СНГ "Алмазоподобные пленки углерода", (1994, Харьков); Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микрозлектроника-94", (1994, Звенигород).
Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
