Разработка и исследование технологических основ создания массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок для устройств микроэлектронной сенсорики Климин, Виктор Сергеевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Климин, Виктор Сергеевич. Разработка и исследование технологических основ создания массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок для устройств микроэлектронной сенсорики : диссертация ... кандидата технических наук : 05.27.01 / Климин Виктор Сергеевич; [Место защиты: Юж. федер. ун-т].- Таганрог, 2013.- 162 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/153

Введение к работе

Актуальность диссертационной работы

Повышенный интерес к изучению углеродных нанотрубок (УНТ) обусловлен, с одной стороны, их уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым они являются привлекательным объектом фундаментальных исследований, а с другой стороны - широкими перспективами прикладного использования. Разработка технологий получения массивов ориентированных углеродных нанотрубок с контролируемыми параметрами открывает широкие возможности их применения в микроэлектронной сенсорике для создания чувствительных элементов газовых датчиков. Такие чувствительные элементы позволяют снизить рабочее напряжение и улучшить массогабаритные характеристики приборов.

Для реализации практических разработок, использующих УНТ, требуется селективный синтез нанотрубок с контролируемой структурой и свойствами. Одним из наиболее перспективных методов такого синтеза является химическое осаждение из газовой фазы (ГФХО) инициированное плазмой. Метод плазменного ГФХО позволяет получать ориентированные массивы УНТ на различных подложках. Особенностью данного метода является использование каталитических центров.

Анализ литературных данных показывает, что на строение и свойства выращиваемых методом плазменного ГФХО углеродных нанотрубок существенное влияние оказывают: химическая природа и геометрические параметры частиц каталитических центров, давление, температура синтеза, состав рабочей газовой смеси, а также продолжительность процесса. Использование в качестве материала каталитических центров и подслоя различных металлов позволяет обеспечивать электрический контакт к выращенным структурам.

Таким образом, изучение влияния режимов выращивания углеродных нанотрубок методом плазменного ГФХО на их геометрические параметры является актуальной задачей и служит основой для разработки технологии синтеза ориентированных массивов углеродных нанотрубок с контролируемыми параметрами для использования в качестве чувствительных элементов устройств микроэлектронной сенсорики.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование технологических основ выращивания массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом плазменного химического осаждения из газовой фазы для чувствительных элементов ионизационных газовых датчиков.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

Обобщить и выявить основные требования к методам получения и свойствам углеродных нанотрубок для применения в приборах микроэлектронной сенсорики.
Выполнить теоретические исследования термодинамических закономерностей фазообразования в системе каталитический центр/подслой/подложка кремния при выращивании УНТ методом ГФХО.
Выполнить экспериментальные исследования закономерностей

формирования каталитических центров методом термообработки тонких пленок никеля.

Выполнить экспериментальные исследования влияния режимов плазменного ГФХО на геометрические параметры углеродных нанотрубок.
Разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления чувствительного элемента ионизационного газового датчика с массивом вертикально ориентированных УНТ на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9.

Научная новизна работы:

Установлены термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия материалов в структуре каталитический центр/подслой/подложка кремния с учетом нелинейных теплофизических свойств материалов и режимов выращивания УНТ. Показана корреляция полученных результатов с экспериментальными данными для структур Ni/Ti/Si и Fe/W/Si.
Экспериментально установлены закономерности влияния режимов термообработки структуры №(10нм)/У(20нм)/8і(380мкм) на геометрические параметры каталитических центров никеля, с учетом технологических режимов процесса плазменного ГФХО.
Экспериментально установлены закономерности влияния режимов плазменного ГФХО на геометрические параметры массива углеродных нанотрубок с учетом времени роста и мощности плазмы.

Практическая значимость:

Определены режимы формирования каталитических центров никеля методом термообработки структуры Ni(10 hm)/V (20 нм)/ Si(380 мкм) в атмосфере NH₃ и Аг. Показано, что каталитические центры диаметром (94 ± 7,6) нм и плотностью 1.9х10⁹см"² формируются при температуре 700-800 С, давлении 4,5 Торр, скоростях потока Ошв ⁼ 15 см³/мин и Q^ = 40 см³/мин.
Определены режимы выращивания массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок на структурах №(10нм)/У(20нм)/8і(380 мкм), №(10нм)/Сг(20нм)/8і(380мкм), №(10нм)/Ті(100нм)/8і(380мкм), №(10нм)/А1(500нм)/8і(380мкм) методом плазменного ГФХО. Установлено, что на структуре Ni(10 hm)/V(20 hm)/S1(380 мкм) массив вертикально ориентированных УНТ диаметром 30-70 нм, высотой 5-7 мкм и плотностью 3,7><10⁵см"² может быть выращен при скоростях потока Qc2H2 ⁼ 70 см³/мин и Окнз = 210 см³/мин, давлении 4,5 Торр, мощности плазмы W = 2 Вт и температуре 750С.
Предложена конструкция и разработан технологический маршрут изготовления чувствительного элемента ионизационного газового датчика с массивом вертикально ориентированных УНТ на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 показывающего, согласно оценкам, для СН₄, С0₂, СО, при рабочей температуре 300 К и концентрации 0,01 моль/л коэффициент чувствительности 63, 135, 5468 соответственно, время срабатывания 0,1 сек; время восстановления 1,0 сек.

Положения, выносимые на защиту:

1. Термодинамические закономерности процессов межфазного взаимодействия материалов в структуре каталитический центр/подслой/подложка

кремния с учетом нелинейных температурных зависимостей теплофизических свойств материалов, состава газовой смеси и давления технологических газов в температурном диапазоне (0-1000) С, которые позволили сформировать критерии выбора технологических режимов и материалов структуры для выращивания УНТ методом ГФХО.

Технологический маршрут формирования каталитических центров для роста УНТ из пленок никеля (10 нм) позволяющий контролировать их геометрические параметры.
Закономерности влияния технологических режимов метода плазменного ГФХО на геометрические параметры углеродных нанотрубок, с учетом времени роста, материала подслоя, а также влияния мощности плазмы, которые позволяют формировать массивы вертикально ориентированных УНТ с контролируемыми геометрическими параметрами.
Технологический маршрут изготовления чувствительного элемента ионизационного газового датчика с массивом вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, совместимый с интегральной технологией микроэлектроники, на основе использования нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9, показывающего согласно оценкам, для СН₄, С0₂, СО, при рабочей температуре 300 К и концентрации 0,01 моль/л коэффициент чувствительности 63, 135, 5468 соответственно.

Реализация результатов работы:

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры ТМ и НА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2009-2012 гг.: «Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области микро- и наноструктур на основе оксидных, органических и биологических материалов, разработка технологии их получения для развития перспективной сенсорики, основанной на новых физических принципах в центре коллективного пользования научным оборудованием «Высокие технологии»» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (внутр. №13013); «Исследование и разработка технологических процедур для производства элементов изделий микро- и наноэлектронной техники на основе использования сверхвысоковакуумной технологической автоматизированной платформы кластерного типа» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (внутр. №13315); «Разработка пилотного проекта технического комплекса раннего обнаружения, оповещения о пожаре и концентрации опасных, токсичных газов и вредных веществ с автоматической системой очищения воздуха в защищенном помещении образовательного (научного) учреждения» в рамках ФЦП «Пожарная безопасность помещений в России на 2010-2012 годы» (внутр. №46100/13020).

Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ ФОХ ЮФУ, НОЦ «Нанотехнологии», ЗАО ОКБ «Ритм», а также в учебный процесс на кафедре ТМиНА ЮФУ.

Апробация работы:

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy (Moscow - Zelenograd 2011; Международная научно-техническая конференция "Микроэлектроника и наноинженерия»" (г. Москва, 2008); Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010, 2011, 2012); Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия - 2008» (г. Москва, 2008), VII 17-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010» (г. Москва, 2010), Третья Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия», «Наноинженерия-2010» (г. Калуга, 2010). Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (г. Кисловодск, 2009), международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010» (пос. Дивноморское, 2010). конференция аспирантов и молодых ученых «Неделя науки» (г. Таганрог, 2008, 2009), Симпозиум «Нанотехнологии» (г. Таганрог, 2009), Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2010); 56-ая научно-техническая конференция ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2010), International Symposium on Physics and Mechanics of New Materials and Underwater Applications (Taiwan 2013).

Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: конференции Южного научного центра РАН (г. Ростов-на-Дону, 2010), IX Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2011). Является победителем молодежного научно-инновационного конкурса «У.М.Н.И.К.» (2009-2012), присужден именной грант фирмы ООО «Филип Моррис Сэйлз энд Маркетинг» за высокие результаты в науке и учебе (2012 г).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 29 печатных работы, из них 7 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получен патент РФ на изобретение №2431597(приоритет от 20.01.2010 г.).

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Объем работы составляет 145 страниц, включая 87 рисунков, 16 таблиц и 142 наименований списка использованной литературы.