WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 |

«Научной целью проекта является получение новых знаний и решений в области управляемого лазерного синтеза наноструктурированных материалов с использованием уникальной системы установок. Отчет состоит из пяти частей. В ...»

-- [ Страница 1 ] --

2

3

4

Реферат

Отчет с. 86, рис. 15, табл. 4, источников 41

Ключевые слова: ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА

ВЕЩЕСТВО, КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ, НАНОПОРОШКИ МЕТАЛЛОВ,

ОБЪЕМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ФРАКТАЛЬНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ,

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, АТОМНО-СИЛОВАЯ

МИКРОСКОПИЯ, СКАНИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ.

Научной целью проекта является получение новых знаний и решений в области управляемого лазерного синтеза наноструктурированных материалов с использованием уникальной системы установок.

Отчет состоит из пяти частей.

В первой части рассмотрены итоги работ предыдущих этапов проекта.

В ходе выполнения первого этапа проекта были выполнены следующие работы: проведен анализ научно-технической литературы; проведены патентные исследования; определены направление исследований и способы решения поставленных задач; проведены исследования наноструктурированных поверхностей методами электронной и зондовой микроскопии.

В результате экспериментальных исследований по проекту была создана экспериментальная схема синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью 50-100 фс. После воздействия область взаимодействия лазерного излучения с веществом на поверхности мишени и область осаждения удаленных с поверхности частиц исследовались методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии на зондовой нанолаборатории ИнтеграСПЕКТРА и сканирующем электронном микроскопе Quanta 200 3D. На поверхности мишеней при лазерном воздействии были обнаружены субмикронные и наноструктуры, свойства которых зависят от режима воздействия и вида материала мишени.

В ходе выполнения второго этапа проекта году были выполнены следующие работы: проведен анализ научно-технической литературы;

проведены исследования процесса осаждения коллоидных систем при воздействия импульсно-периодического лазерного излучения; исследованы физико-морфологические свойства осажденных частиц, отработана технология лазерного синтеза наночастиц из коллоидных систем.

В результате экспериментальных исследований по проекту была создана экспериментальная схема синтеза протяженных массивов наноструктур при импульсно-периодическом воздействии с длительностью импульсов 100-200нс.

Характеристики осажденных из коллоидных систем наночастиц определялись методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии.

Зафиксировано образование протяженных массивов наноструктур с управляемой морфологией, свойства которых зависят от условий осаждения.

В ходе выполнения третьего этапа проекта исследовались процессы взаимодействия высокоэнергетичного лазерного излучения с многокомпонентной мишенью, состоящей из нанопорошков металлов и углеродных нанотрубок (УНТ). Изучены процессы при локальном лазерном спекании металлических частиц и УНТ, их осаждение на холодную подложку в результате абляции материала при непрерывном лазерном воздействии.

В результате проведенной работы по данному проектe разработан метод формирования самоочищающихся полупроводниковых покрытий при воздействии на медные сплавы; исследованы процессы формирования фрактальных слоистых структур при лазерном воздействии на смесь из УНТ и нанопорошков металлов; показана возможность изменения морфологии получаемых структур в зависимости от условий эксперимента; на основании подходов фрактальной геометрии оценена зависимость кластерной размерности структуры осажденного слоя от времени облучения при различных мощностях лазерного воздействия.

Цель четвертого (отчетного) этапа проекта – обобщение и оценка результатов исследований, осуществленных в ходе выполнения проекта.

Результатам, полученным на четвертом этапе, посвящены части 2 - 5 отчета.

Во второй части рассмотрены результаты полученные при выполнении проекта, объединенные по основным направлениям запланированных и реализованных научно-исследовательских работ в сравнении с современным научно-техническим уровнем. В третьей части приведены результаты научных исследований, выполненных при помощи оптимизированной экспериментальной схемы для получения прозрачных углеродных покрытий из нановолокон/нанотрубок методом лазерного воздействия на углеродную мишень в атмосферном воздухе, при воздействии на поток аблированных частиц внешним электрическим полем без использования металлического катализатора. В четвертой части дана обобщенная оценка результатов НИР и возможности их применения с акцентом на наиболее перспективное направление из развиваемых на базе УСУ, а именно лазерный синтез наноструктурированных материалов в среде коллоидных растворов. В пятой части приведена информация об исследованиях в интересах сторонних организаций, произведенных с помощью УСУ.

Полученные результаты представляют практический интерес в плане проведения фундаментальных научных исследований и подготовки специалистов высокого класса в области лазерной физики, лазерных и лазерноинформационных технологий, современных нанотехнологий.

Нормативные ссылки При выполнении проекта и подготовке настоящего отчета о НИР использованы следующие стандарты:

методики измерений РЭМ соответствуют ГОСТу Р 8.631. – методики измерений АСМ соответствуют ГОСТу Р 8.630. – структура и правила оформления отчета НИР ГОСТ 7.32- Определения и сокращения Лазерное воздействие – взаимодействие излучения оптического диапазона с материалами.



Нанообъект – это физический объект, у которого один, два или все три внешних размера находятся нано диапазоне.

Наночастица – это нанообъект, у которого все три внешних размера лежат в нано диапазоне.

Композиционный материал - (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними.

Фрактальный анализ - метод математического анализа основанный на подходах фрактальной геометрии. В основе такого анализа лежат подходы определения самоподобия в геометрической структуре исследуемого объекта, выявление скрытой корреляции в распределении характерных параметров и т.д.

структуры при изменении площади множества покрытия.

пространственную размерность.

АСМ – атомно-силовая микроскопия; разновидность сканирующей зондовой микроскопии, основанная на детектировании сил межатомного взаимодействия с помощью острого механического зонда.

РЭМ – растровая электронная микроскопия, растровый электронный микроскоп.

ЛС – лазерное спекание.

Введение…………………………………………………………………….. 1. Итоги работ предыдущих этапов……………………………………….. 2. Анализ эффективности и конкурентоспособности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.. 2.1. Разработка экспериментальных схем синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени ультракоротких лазерных импульсов и технологии синтеза тонких пленок с их использованием………………………………………………………….. 2.2. Отработка технологии синтеза протяженных массивов наноструктур при импульсно-периодическом лазерном осаждении коллоидных систем и исследование процесса осаждения наночастиц и синтеза тонких пленок на поверхность мишени при локальном лазерном нагреве………………………………………………………... 2.3. Исследование процессов лазерного формирования наноструктурированных материалов за счет управляемого лазерного воздействия на порошковые мишени………………………………….. 3. Оптимизация разработанных экспериментальных схем………………. 4. Обобщение и оценка результатов выполненной НИР и возможности их применения……………………………………………………………….. 4.1. Оценка результатов и оценка перспектив их применения…….... 4.2. Технико-экономическая часть…………………………………….. 5. Обеспечение проведения исследований для сторонних организаций с Заключение………………………………………………………………….. Введение В настоящем отчете отражены результаты работ по проекту «Проведение исследований с использованием уникальных стендов и установок в области наносистем и материалов» по теме: «Проведение поисковых исследований с применением уникальной установки упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекундным излучением» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Методы лазерного синтеза наноструктурированных материалов находят все большее применение в науке и технике, поскольку лазерное воздействие на материал обеспечивает широкой диапазон управляющих параметров, протекающих в области взаимодействия процессов. Широкое применение находят подходы формирования структур в процессе управляемого плавления, твердофазного преобразования поверхности/объема. Отдельными направлениями, развиваемыми в рамках данного проекта, являлись методы управляемого осаждения частиц из лазерно-индуцированной плазмы и коллоидных систем.

В рамках первого этапа проведен патентный поиск по способам формирования наноструктурированных покрытий, наноструктурированных материалов при лазерном воздействии. Определено направление научных исследований с использованием потенциала уникальной системы установок упорядоченного наноструктурирования объектов фемтосекундным излучением - получение наноструктурированных образцов с применением мощного фемтосекундного излучения, как на самих твердотельных мишенях, так и в продуктах конденсации на подложки, а равно и исследование таких структур.

На основе проведенного анализа научной и технической литературы предложена экспериментальная схема синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени УКИ с длительностью 50-100 фс, разработаны технологии синтеза тонких пленок. С помощью методов зондовой и электронной микроскопий осуществлены экспериментальные исследования физико-механических свойств формируемых наноструктурированных пленок и покрытий.

На втором этапе проекта основное внимание уделено разработке методик синтеза однослойных наноструктурированных пленок и протяженных массивов наноструктур при осаждении частиц из коллоидной системы, которые характеристиками. Управляемое формирование наноструктурированных однослойных и многослойных микропленок и покрытий, является актуальным направлением прикладных исследований. Применение методов лазерного синтеза позволяет создавать управляемые способы формирования наноструктур и наноструктурированных покрытий. Проведенное моделирование процесса движения частиц в коллоидной системе при локальном лазерном нагреве показало, что геометрия исходной поверхности и изменение условий осаждения позволяют осаждать пленки и протяженные массивы наноструктур с управляемой морфологией.

На третьем этапе проекта были исследованы процессы лазерного формирования многослойных наноструктурированных материалов за счет управляемого лазерного воздействия на порошковые мишени, формирования объемных наноструктурированных материалов за счет управляемого лазерного спекания порошков и смесей; проведены исследования физико-механических свойств формируемых наноструктурированных пленок и покрытий, определены оптимальные режимы воздействия.

На каждом этапе проекта обеспечивалось проведение исследований для сторонних организаций с использованием УСУ.

Основной акцент сделан на результаты четвертого этапа проекта. В рамках данного этапа проекта проведены работы по анализу полученных результатов, оптимизации разработанных экспериментальных схем, обобщению и оценка результатов НИР и возможности их применения.

получения прозрачных наноструктурированных углеродных покрытий, состоящих из углеродных нанотрубок и/или наноструктурированных массивов углеродных наночастиц при лазерном напылении, формирования металлических микроконтактов, нанесенных методом лазерного осаждения наночастиц из коллоидных растворов на поверхность стеклянной подложки, определения/расчета сопротивления микроконтакта на основе подходов фрактальной геометрии.

1. Итоги работ предыдущих этапов Проект выполнялся в соответствии с календарным планом и техническим заданием. На предыдущих этапах достигнуты следующие результаты.

Первый этап. Анализ существующих методов и методик синтеза наноструктурированных материалов при интенсивном лазерном воздействии.

В рамках работ выполненных на первом этапе государственного контракта проведено исследование научно-технической литературы по теме проекта. На основе проведенного анализа предложены направления проведения исследований и обоснование их выбора. По направлению исследовательских работ проведены исследования процессов лазерной абляции при воздействии на мишени излучением с длительностью 50-100 фс с использованием уникальной фемтосекундной установки для синтеза наноструктурированных материалов.

Предложена экспериментальная схема для синтеза тонких пленок (до 500 нм поперечном направлении), разработан метод синтеза тонких углеродных и металлических пленок. Физические свойства осажденных продуктов исследованы использованием диагностической нанолаборатории ИнтеграСпектра. Морфологические свойства исследовались с использованием растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D и зондовой лаборатории Интегра-Аура. Исследование свойств синтезируемых пленок позволяет говорить о том, что в процессе формирования осажденного слоя из продуктов лазерно-индуцированного факела достигается равновесное состояние плазмы, что приводит к интенсификации формирования новых форм материала. В общем предлагаемый метод позволяет формировать пленки толщиной 100нм, с характерным размером зерна 100-300 нм, что отвечает требованиям технического задания.

протяженных массивов наноструктур и многослойных наносистем при лазерной абляции материалов.

В рамках данного этапа проекта разработан ряд методов, позволяющих при дальнейшем их развитии и техническом внедрении существенно повысить эффективность лазерного синтеза наноструктур, наноструктурированных пленок и покрытий. Метод осаждения наночастиц из коллоидных растворов не имеет прямых промышленных аналогов в настоящее время. Для формирования протяженных массивов наноструктур в настоящее время применяются электролиты металлов. Однако, получение устойчивых электролитов для большинства металлов представляет сложную и дорогостоящую задачу, в то многокомпонентные соединения, осаждать их локально (в области 20-50мкм), по произвольной траектории, с характерным размером наноструктур до 500 нм.

Третий этап. Формирование многослойных и объемных материалов при контролируемом высокоинтенсивном лазерном воздействии.

В рамках работ по третьему этапу проекта проведены эксперименты по лазерному спеканию порошковых смесей на основе углеродных нанотрубок и нанопорошка никеля, которые демонстрируют возможность управления нанопорошком металлов и углеродных нанотрубок. Анализ поверхности взаимодействия лазерного излучения с углеродными нанотрубками, смешанными с нанопорошком металла, происходит локальное проплавление мишени. Полученные изображения поверхности после лазерного воздействия демонстрируют спекание материалов в области воздействия и обнаруживает признаки самоорганизации.

Рассмотренный в данном проекте способ получения металоуглеродных объемных материалов имеет перспективу для различных приложений при создании композиционных материалов с управляемыми свойствами управлять процессом наноструктурирования поверхности за счет изменения условий эксперимента. В рамках выполненных по теме проекта работ, предложены экспериментальные схемы по лазерному формированию многослойных металоуглеродных материалов, самоочищающихся покрытий, объемных материалов.

Исследование процессов лазерного спекания смесей из углеродных нанотрубок и наночастиц никеля, показало возможность формирования объемных материалов с преобладанием металлической формы материала или с частичным наследованием углеродных свойств. Такой эффект памяти формы наиболее заметен при добавлении в состав исходной мишени 10% от общей массовой доли наноалмазов. Исследование структуры мишени методами спектроскопии комбинационного рассеяния показало, что во всех случаях после лазерного воздействия происходит упорядочивание массива углеродных структур.

2. Анализ эффективности и конкурентоспособности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем Научно-исследовательские работы в рамках государственного контракта проводились по следующим обобщенным направлениям:

1. Разработка экспериментальных схем синтеза наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени ультракоротких лазерных импульсов и технологии синтеза тонких пленок с их использованием.

2. Отработка технологии синтеза протяженных массивов наноструктур при импульсно-периодическом лазерном осаждении коллоидных систем и исследование процесса осаждения наночастиц и синтеза тонких пленок на поверхность мишени при локальном лазерном нагреве.

наноструктурированных материалов за счет управляемого лазерного воздействия на порошковые мишени.

Разработка экспериментальных схем синтеза 2.1.

наноструктурированных материалов при осаждении продуктов лазерной абляции при воздействии на мишени ультракоротких лазерных импульсов и технологии синтеза тонких пленок с их использованием.

Экспериментальные схемы разработаны на основе двух фемтосекундных лазерных систем.

Во-первых, использовалась фемтосекундная Ti:Sp лазерная система, которая имеет следующие параметры: частота повторения импульсов 1 кГц, длительность импульса порядка 50 фс и энергия 1 мДж. Излучение, выходящее из задающего генератора, попадает в стретчер, затем усиливается в регенеративном усилителе с помощью лазера накачки и, проходя через компрессор, выходит и фокусируется одиночной линзой в вакуумную камеру.

Диаметр сфокусированного пятна составляет порядка 200 мкм, но наибольшая интенсивность концентрируется в пятно диаметром 100 мкм.

Вакуумная камера обеспечивает давление до 10-4 Торр. Сфокусированное излучение попадает на мишень под углом 450. Конструкция камеры позволяет зафиксировать образец в неподвижном состоянии в требуемом положении. Для этого разработан узел для закрепления образца в необходимом положении внутри камеры. Изменяемый параметр – расстояние от образца до подложки, регулируется благодаря специальным зажимам, удерживающим требуемое положение. Выбранный размер образцов, равный порядка 1010 мм, предполагает использование одной мишени для серии экспериментов.

Во-вторых, была создана экспериментальная схема на основе фемтосекундной Yb:KGW лазерной системы, которая использует волоконный принцип усиления чирпированных импульсов. В качестве задающего генератора в лазерной системе используется иттербиевый волоконный лазер, формирующий цуг импульсов фемтосекундной длительности, которые затем усиливаются в двух волоконных усилителях мощности. Частота работы регенеративного усилителя составляет 10 кГц. Основная длина волны генерации =1028 нм. Система предусматривает возможность генерации второй гармоники излучения на длине волны =514 мкм и четвертой гармоники на =257 нм. Данная лазерная система является передовой, как с точки зрения принципа работы, так условий эксплуатации.

Эксперименты, проведенные на фемтосекундной Yb:KGW лазерной системе имеют геометрию аналогичную схеме с Ti:Sp-лазером, но излучение падает на мишень в вертикальной плоскости через отверстие в держателе для подложки. Параметры Yb:KGW лазерной системы: частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульса сотни фемтосекунд, энергия мкДж и диаметр сфокусированного пятна порядка 50 мкм.

С помощью разработанных экспериментальных схем были получены тонкие наноструктурные пленки на основе титана, никеля и стеклоуглерода.

Тонкие пленки, полученные с помощью фемтосекундной Ti:Sp лазерной системы, представляют собой напыление титана на предметное стекло. При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности образцов титана образуются характерные каверны порядка 250 нм в плоскости границы мишени и 150 нм в углублении. На подложке отчетливо видна зонная структура напыления. С помощью РЭМ изображений наночастиц титана, которые оседают на поверхность подложки, можно выделить центральную, среднюю и краевую зоны. Напыленный материал обладает малой адгезией к подложке и неустойчив к внешнему воздействию. Центральная зона характеризуется большим количеством наночастиц приближенной к сферической форме. Размер наночастиц в данной области находится в пределах 10-30 нм. Но также встречаются наночастицы, имеющие и большие размеры в зависимости от расстояния от распыляемого образца до подложки. Наиболее крупные скопления оседают в центральной зоне.

После изъятия подложки из вакуумной камеры в центральной зоне напыленной пленки титана происходит взаимодействие активных наночастиц с атмосферным кислородом. Поэтому происходит перераспределение рельефа поверхности и образование квазиупорядоченных структур.

Отслаивание пленки, возможно, вызвано образованием оксидов титана.

При этом происходит перераспределение рельефа в так называемые блистеры вида телефонного шнура. Образование зигзагообразных структур происходит более интенсивно в центральной области напыления. Топологические параметры структур изменяются при удалении от центральной области. Период отдельной полосы в центральной области соответствует порядка 10 мкм, высота составляет в среднем 600 нм. Расстояние между двумя полосами 5 мкм.

При отдалении от центра пленки образуется довольно равномерное напыление с образованием скоплений наночастиц в кластеры, размеры которых лежат в области от 50 до 200 нм. Четко выражены границы образованных наночастиц.

При исследовании пленок, полученных на Yb:KGW лазерной системе, не происходит отслаивания и изменения рельефа поверхности. Напыление происходило при различных параметрах, таких как скорость движения лазерного пучка по образцу, количества проходов и расстояния от образца до подложки. В основном получается равномерный слой с характерным размером наночастиц 100-300 нм.

При напылении в открытом воздухе слой осажденных наноструктур приобретает неравномерное распределение по поверхности подложки.

Активное взаимодействие с кислородом в процессе лазерной абляции приводит к образованию кристаллической формы оксида титана – анатаза.

При воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на поверхности образцов никеля также образуются каверны и зоны напыления. С помощью РЭМ изображений наночастиц никеля, которые оседают на поверхность подложки, можно выделить центральную, среднюю и краевую зоны.

Центральная зона характеризуется большим количеством наночастиц с формой, приближающейся к сферической. При этом размер наночастиц в данной области находится в пределах от 20 нм до 600 нм в диаметре. Наиболее часто встречающиеся наночастицы имеют размер 150 нм. Частицы напыленного никеля в средней зоне имеют характерный размер в основном около 100 нм.

Частицы имеют эллипсообразную форму. Встречаются наночастицы относительно большие наночастицы, но распределение частиц с размером менее 100 нм достаточно однородное. В краевой зоне наночастицы более разрежены, но имеют однородное распределение и средний размер порядка нм.

Также наноструктуры получены при абляции стеклоуглерода ультракороткими лазерными импульсами на поверхности подложки из кварцевого стекла. Главное отличие от аналогичных изображений для никеля и титана состоит в том, что для стеклоуглерода не образуются отдельные наночастицы, а происходит формирование наноструктур достаточно сложной формы. Они имеют сложную лабиринтоподобную структуру нанотрубок с характерным поперечным размером порядка 10 нм и кольцевые структуры диаметром порядка 30 нм, высота структур около 15 нм.

Полученные результаты стали основой для разработки технологии синтеза наноструктурированных покрытий при осаждении продуктов плазменного длительностью импульсов. Для генерации лазерной плазмы применялся источник фемтосекундного лазерного излучения – фемтосекундная Yb:KGW лазерная система (длительность импульсов 100фс, энергия в импульсе продолжительности лазерного импульса использовался автокорреляционный метод и метод спектральной фазовой интерферометрии.

Разработанная технология позволяет получать наноструктурированные покрытия с толщиной 50-500 нм, площадь 1-10 мм2, с размерами отдельных частиц в слое не более 200 нм.

Полученные результаты соответствуют современному уровню научных отечественных организациях как Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН и Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. Анализ результатов по оригинальным и обзорным работам [1 – 5] показал, что при сохранении интереса к получению наноструктурированных материалов при осаждении продуктов абляции на воздухе или в вакууме очень перспективно развитие технологий формирования поверхностных наноструктур при обработке материалов лазерным излучением в жидких средах. Это показывает как правильность выбора одного из общих направлений НИР проекта, так возможности его дальнейшего развития.

2.2. Отработка технологии синтеза протяженных массивов наноструктур при импульсно-периодическом лазерном осаждении коллоидных систем и исследование процесса осаждения наночастиц и синтеза тонких пленок на поверхность мишени при локальном лазерном нагреве.

В данном направлении осуществлена отработка технологии управляемого формирования протяженных массивов наноструктур методом лазерного осаждения металлических наночастиц из коллоидных систем (LDPCS) с целью получения образцов наноструктурированных материалов с заданным распределением осажденных частиц.

В рамках данного направления разработан ряд методов, позволяющих при дальнейшем их развитии и техническом внедрении существенно повысить эффективность лазерного синтеза наноструктур, наноструктурированных пленок и покрытий Отработанные методы осаждения наночастиц из коллоидных растворов не имеет прямых промышленных аналогов в настоящее время. Для формирования протяженных массивов наноструктур в настоящее время применяются электролиты металлов. Однако, получение устойчивых электролитов для большинства металлов представляет сложную и дорогостоящую задачу, в то время как предлагаемый способ позволяет получать одно и многокомпонентные соединения, осаждать их локально (в области 20-50 мкм), по произвольной траектории, с характерным размером наноструктур до 500 нм.

В первой серии экспериментов использовался однокомпонентный коллоидный раствор на основе глицерина с добавлением наночастиц оксида меди (CuO) со средним размером 50 нм. Воздействие импульснопериодического лазерного излучения (=1.06 мкм, частота повторения импульсов 20 кГц, средняя мощность 2 Вт) производилось на подложку из предметного стекла, погружённую в коллоидный раствор; лазерный пучок мог сканироваться вдоль подложки.

Во второй серии экспериментов создавался двухкомпонентный раствор на основе глицерина с добавлением наночастиц никеля (Ni) и неочищенных углеродных нанотрубок. Данная смесь перемешивалась на приборе Ротамикс до однородной консистенции. В полученный раствор помещались различные подложки (стеклянные, медные и кремниевые), на которых получалось осаждение наноструктур. Воздействие производилось импульснопериодическим лазерным излучением со средней мощностью 2,5 Вт.

Полученные образцы исследовались с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) и методами атомно-силовой микроскопии.

Формирование слоя осаждения из наночастиц оксида меди происходило строго по траектории сканирования лазерного пучка с четкой границей осаждения. Размер спекшихся зерен варьируется от 150 нм до 300нм.

Шероховатость поверхности в области центра трека составляет в поперечном сечении 25 нм при среднем значении высот 94 нм (максимальная высота – 207нм). Такое значение шероховатости и вид полученных структур позволяет предположить, что механизм формирования наноструктур связан со спеканием плотноупакованных частиц между собой, вследствие чего на поверхности наблюдаются только сфероподобные структуры (радиусом порядка 25нм).

Осажденный слой никеля и углеродных нанотрубок на диэлектрической подложке (предметное стекло со шлифом) отличается от осажденного слоя оксида меди на диэлектрической подложке. В этом случае, структура непосредственного воздействия лазерного излучения на раствор, на поверхности подложки формируется каплеподобные структуры, тогда как на границе (20мкм от центра трека) наблюдаются отдельные конгломераты частиц размерами от 30 нм до 150 нм.

При осаждении двухкомпонентного раствора на медную подложку формирование наноструктур происходило строго про траектории сканирования лазерного пучка без разрушения поверхности подложки. Однако, после однократного прохода осаждение представляло собой отдельные несоприкасающиеся конгломераты спёкшихся наночастиц. После двух проходов монолитность осажденного слоя значительно повышалась. При этом образуются более гладкие микрообласти осаждения, имеющие границы с соседними областями; размытия области осаждения не происходит.

Шероховатость слоя в поперечном сечении составляла 270 нм при высоте рельефа около 2 мкм.

Исследование механизма образования поверхностного осажденного слоя показало, что при локальном лазерном воздействии на коллоидные системы процесс осаждения происходит в две последовательные стадии.

На первой стадии происходит локальный нагрев коллоидного раствора, вследствие чего у глицерина изменяются вязкость и коэффициент поверхностного натяжения в области лазерного воздействия. Это приводит к интенсивной диффузии частиц никеля в область нагрева. При достижении некой критической массы конгломерат частиц преодолевает действие поверхностного натяжения глицерина, и частицы осаждаются непосредственно на поверхность подложки. На второй стадии локальный лазерный нагрев приводит к частичному спеканию наночастиц. Топология образующегося осажденного слоя зависит от типа подложки, которая помещена в коллоидный раствор.

Этот факт, а также фрактальная структура получаемых систем определили необходимость анализа осажденных слоев, который можно провести методами фрактальной геометрии.

Фрактальная природа структур полученных при селективном лазерном спекании порошков металлов в жидкостях отмечена достаточно давно [6-7].

При этом агрегацию частиц в объеме коллоидного раствора и вблизи поверхности подложки принято описывать с использованием механизмов фрактальной перколяции и обобщенного броуновского движения [7,8]. Однако исследования в данном направлении сдерживаются недостаточностью фактического материала. Возможности УСУ позволили преодолеть этот барьер.

На основании полученных методом атомно-силовой микроскопии данных о профиле осажденных наноструктур был определен средний коэффициент аномальной фрактальной диффузии.. Для никеля вблизи кремниевой подложки Рассчитанная фрактальная диффузия уменьшалась на 2 порядка вблизи поверхности медной подложки и на 4 порядка вблизи кремниевой по сравнению со значениями, определенными традиционными методами. Это означает, что на процесс лазерного осаждения наноструктур на разные подложки, действительно, существенное влияние оказывают зародыши фрактальных структур на их поверхности. Эти зародыши принимают все более правильные геометрические формы с увеличением коэффициента диффузии в объеме коллоидного раствора. Такое формирование поверхностных наноструктур для осажденного слоя в процессе лазерного воздействия существенно зависит от материала подложки и позволяет заданным образом управлять топологией формирования поверхностных наноструктур при лазерном осаждении вещества из коллоидного раствора. То есть, формируя на поверхности подложки предварительный рельеф, можно управлять морфологией осажденного слоя.

Исследование процессов лазерного формирования 2.3.

наноструктурированных материалов за счет управляемого лазерного воздействия на порошковые мишени.

При воздействии лазерного непрерывного излучения (мощностью 5Вт/ интенсивностью 7·105Вт/см2) на массив углеродных нанотрубок, смешанных с нанопорошком никеля, наблюдается формирование на холодной подложке однородного осажденного слоя в виде «чешуек» размерами 600 – 800 нм. При уменьшении мощности лазерного излучения до 3Вт, при той же фокусировке (что соответствует интенсивности 4,2·105Вт/см2) и неизменном времени воздействия равном 5с, удалось получить более разреженные зернистые структуры: белые сферы с диаметром 350-400 нм и нити с радиальным размером 300 нм.

Для выяснения механизма образования такого типа наноструктур нанопорошок никеля был заменен в эксперименте на нанопорошок оксида железа (железо и металлы подгруппы железа являются катализатором роста углеродных нанотрубок). При сохранении прочих равных условий эксперимента общий вид сформированного осажденного слоя не изменился:

между более крупными образованиями в виде отдельных «чешуек», являющихся соединением углеродных нанотрубок и наночастиц оксида железа, протянуты «жгутики» углеродных нанотрубок.

Таким образом, данная серия экспериментов продемонстрировала возможность получения наноструктурированной металлоуглеродной пленки, состоящей из углеродных нанотрубок и частиц металлов.

3. Оптимизация разработанных экспериментальных схем существующих в современном научном сообществе тенденций показал, что в направлении формирования наноструктурированных материалов недостаточно использовать только свойства лазерного воздействия на вещество, несмотря на уникальные возможности им предоставляемые. Для обеспечения возможности управляемого лазерного синтеза наноструктур перспективно дополнение разработанных экспериментальных схем специальными управляющими элементами. Это могут быть технические элементы или специальные среды, предназначенные для управления характеристиками излучения или условиями формирования наноструктур. В этом направлении были произведены работы по оптимизации разработанных экспериментальных схем.

нановолокон/нанотрубок была предложена экспериментальная схема лазерного воздействия на углеродную мишень в атмосферном воздухе, при воздействии на поток аблированных частиц внешним электрическим полем без использования металлического катализатора.

Предпосылками для проведения экспериментальных работ были следующие соображения.

Синтез прозрачных углеродных нанопокрытий одно из важных направлений получения для использования в устройствах оптоэлектроники и фотоники, в частности для гибких контактов и мониторов. В настоящее время для решения этих задач активно применяются методы синтеза графеновых пленок из метан-водородной смеси на никелевой или медной фольге [10-12].

Перспективным подходом является возможность синтеза углеродных нанотрубок при осаждении паров этанола [13-15]. Преимуществом данного метода является сравнительно низкие температуры до 750 оС и высокий выход материала, предположительно за счет наличия свободного кислорода [13,14], что позволяет удалять из области осаждений аморфный и дефектный углерод.

При этом процесс формирования углеродных наноструктурированных покрытий происходит в две стадии. На первой стадии покрытия формируются на металлической фольге. Во время второй стадии слой покрытий переносится на поверхность стеклянной подложки.

В нашей работе [16] предложены плазменно-лазерные способы формирования углеродных нанопокрытий на поверхности прозрачных материалов. Выбор материала мишени и изменение условий эксперимента при лазерном воздействии позволили осуществлять прямое лазерное напыление с управляемой геометрией газодинамического канала и получать наноструктурированные углеродные покрытия требуемой геометрии в атмосферном воздухе.

Разработанный в работе [17] способ лазерного синтеза углеродных нановолокон при лазерном воздействии на углеродные мишени, помещенные во внешнее постоянное электрическое поле (с напряжением U до 1000В), позволяет получать углеродные нановолокна различной длины (до 2мм) и диаметра (от 5нм) также в атмосферном воздухе.

Комбинирование отмеченных методов представляется перспективным для задач формирования прозрачных наноструктурированных углеродных покрытий с требуемой морфологией.

Условия эксперимента.

Нами использовалась схема прямого лазерного осаждения паров углерода на поверхность стеклянной подложки. Геометрия эксперимента в целом повторяла схему, предложенную в работе [17], для управления процессом осаждения лазерно-индуцированной плазмы на прозрачную подложку.

Были внесены следующие изменения (см. Рисунок 3.1).

Между прозрачной подложкой (полированные кварцевые стекла и стекло К8, шероховатость поверхности Ra = 2.06нм) и углеродной мишенью (спектрально чистый графит марки СЭУ, стеклоуглерод марки СУ-2000, пирографит ПГИ) помещалась металлическая сетка с размером ячейки 100мкм.

Общее расстояние от мишени до подложки изменялось от 1мм до 5мм.

Расстояние от металлической сетки до мишени варьировалось в пределах 0.5мм - 2.5 мм. Проводящие контакты прикреплялись к поверхности мишени и металлической сетки. На поверхность мишени подавался отрицательный потенциал, на сетку - положительный, что создавало тормозящую разность потенциалов для потока ионизированных атомов. Дополнительно, использование сетки позволяло осуществлять разбиение единого потока аблированных частиц на множество отдельных источников.

Интенсивность лазерного излучения на мишени составляла порядка 106Вт/см2. Большое расстояние от области перетяжки лазерного луча до поверхности подложки позволило избежать термомеханического разрушения прозрачного материала. Лазерное воздействие осуществлялось в атмосферном воздухе, что препятствовало осаждению аморфного углерода за счет интенсивного окисления.

Рисунок 3.1. Экспериментальная схема: 1 – источник лазерного излучения, 2 – прозрачная подложка (стекло, кварц), 3 – металлическая сетка, 4 – углеродная мишень.

Результаты эксперимента.

Для исследования морфологии осажденного слоя использовалась атомно-силовая микроскопия (АСМ). В отличие от растровой электронной микроскопии, которая не позволяет получать контрастные изображения осажденного слоя из-за влияния диэлектрической подложки, проведенные измерения выявили изменения морфологических свойств осажденного слоя в зависимости от расстояния между подложкой и мишенью, а также напряжения на сетке между ними. Во всех случаях использование сетки приводило к осаждению углерода с заметно выраженной периодической структурой (Рисунок 3.2), шаг которой зависел от расстояния между сеткой и подложкой.

Рисунок 3.2. Оптическое изображение области осаждения углерода (получено с помощью Структура осажденного слоя, также изменялась в зависимости от расстояния между подложкой и сеткой и разности потенциалов между сеткой и мишенью. При U = 600В и расстоянии между сеткой и подложкой 2мм в процессе осаждения формируется слой, состоящий из отдельных углеродных наночастиц со средним размером 250нм. Этот слой плотно заполняет поверхность. Статистический анализ, проведенный с помощью математического пакета Grain Analisys показывает, что 312 частиц такого размера располагаются в исследуемой области размером 20х20мкм 2 (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.3. АСМ-изображения осажденного наноструктурированного слоя углерода, полученное при напряжении между электродами U = 600В:

а) расстояние между сеткой и подложкой 2мм; б) расстояние между сеткой и подложкой С уменьшением расстояния между ускоряющей сеткой и поверхностью прозрачной подложки, наблюдается образование осажденных структур подобных капельным образованиям [18,19] со средним латеральным размером порядка 4мкм. Однако, при этом не наблюдалось характерного для капельного осаждения растекания границ при контакте капли с подложкой, что позволяет предположить о формировании подобных структур в процессе конденсации паром материала на подложку. Их анализ по спектрам комбинационного рассеяния c использованием серийного комбинированного атомно-силового микроскопа и конфокального микроскопа комбинационного рассеяния Ntegra Spectra подтверждает, что осажденные структуры состоят из углерода.

Полученное изображение спектра приведено на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Спектр комбинационного рассеяния осажденного углеродного слоя, Виден ряд полос: одна – с двумя линиями ~1350 см-1 и ~1585 см-1, а также другая полоса – в области 2500-3200 см-1. Наличие линии вблизи 1585 см- свидетельствует о синтезе кристаллической фазы углерода (G-линия). Данная соответствует колебательной энергии С-С связи [20-23]. Полоса 1000-1500 см- свидетельствует о наличии аморфной фазы (D-линия) [21,22]. КР в данной области спектра характерно для большинства углеродосодержащих соединений. Наличие D-линии в КР-спектре свидетельствует о наличии аморфной фазы углерода, либо дефектов кристаллической структуры [21,23].

Полоса 2500-3200 см-1 является овертоном двух линий D,G и не несет специфической информации о полученной наноструктуре [20]. Однако, наличие линии G+D означает развитие процесса второго порядка: рассеяние на оптических фононах вблизи Г и К - точек зоны Брилюэна. что является свидетельством либо некоторой неупорядоченности структуры, либо наличия дефектов, поскольку в идеальных структурах такие процессы запрещены [23].

О дефектах (либо неупорядоченности структуры) свидетельствует также тот факт, что линия G одинарна.

При увеличении напряжения U до 800В и варьировании расстояния между сеткой и подложкой в пределах 1.5мм-2мм (с сохранением расстояния от сетки до мишени в 1мм) в процессе осаждения формируются углеродные нановолокна.

В случае, когда расстояние между сеткой и подложкой составляло 1.5мм, в процессе осаждения формируются вытянутые массивы углеродных наноструктур протяженностью до 5мкм, средним поперечным размером 300нм и высотой до 100нм. При увеличении расстояния до 2мм фиксируется образования углеродных нановолокон, длиной более 20мкм и диаметром порядка 300нм, что позволяет сделать предположение о формировании на поверхности стеклянной подложки слоя, состоящего из углеродных нанотрубок (Рисунок 3.5).

Рисунок 3.5. АСМ-изображения осажденных углеродных нановолокон: а) расстояние между сеткой и подложкой 1.5мм; б) расстояние между сеткой и подложкой 2мм, U = 800В.

Для подтверждения этого было увеличено напряжение между сеткой и мишенью до U = 1000В (дальнейшие увеличение напряжения приводило к пробою воздуха при образовании плазмы). Расстояние между подложкой и сеткой составляло 1.5мм, а между мишенью и сеткой 0.5мм. Полученные структуры приведены на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. АСМ-изображения области осаждения паров углерода: а) формирование осаждений из массива углеродных нанотрубок; б) увеличенное изображение углеродных Спектр комбинационного рассеяния для этой структуры показан на рисунке 3.7. Данный вид спектра с сильно размытыми максимумами, отвечающими аморфной (в районе 1380см-1) и кристаллической (1560см-1) фазам, связан с влиянием стеклянной подложки на форму спектра, т.к. глубина проникновения (до 500мкм) лазерного пучка рамановского спектрометра (Arлазер, =0,488 мкм) значительно превышала толщину осажденного слоя.

Рисунок 3.7. Спектр комбинационного рассеяния осажденного углеродного слоя, Максимум в диапазоне (600-800см-1) возможно, связан с формированием в области осаждения многостенных углеродных нанотрубок (см. работы [20Исследование оптических и электрических свойств сформированного наноструктурированного углеродного слоя Для исследования оптических свойств сформированного на стеклянной подложке наноструктурированного слоя углероды бы использован спектрофотометр СФ-2000. На Рисунке 3.8 представлены спектры пропускания в области 400-780нм для образцов пленок Рисунках 3.5а и 3.6. Как видно в обоих случаях покрытия можно считать прозрачными. При этом формирование углеродных нанотрубок приводит к значительному увеличению пропускания света. В структуре спектра хорошо выделяются максимумы в синей, зеленой и красных областях, что позволяет успешно использовать их в качестве прозрачных проводящих покрытий в элементах фотоники.

Рисунок 3.8. Спектр оптического пропускания для покрытий представленных на Рисунке 3.5а (нижний синий график) и Рисунке 3.6а (верхний желтый график).

показало, что оно изменяется от 25.2 ± 2 мОм/см 2 (Рисунок 3.6а) до 33.8± (Рисунок 3.5а) мОм/см2. Такое сопротивление достаточно большое для углеродных структур. Но, учитывая значительную площадь осажденного слоя и периодическую геометрию области осаждения, такой результат можно считать достаточно качественным и перспективным для дальнейшего развития.

Моделирование процесса осаждения атомов углерода Для моделирования процесса распространения атомов использовался кинетический метод Монте-Карло (КМК), который хорошо зарекомендовал распространении атомов в промежутке между мишенью и металлической сеткой не происходило образования новых частиц или кластеров. Такое предположение достаточно корректно, так как на начальном этапе идет активное расширение факела, и кинетические энергии атомов значительно превышают энергии химических связей. В процессе моделирования в расчетную область вводится поток частиц и до момента его осаждения не производится нового ввода. Моделирование производилось на кубической решётке. Движение осаждаемых частиц и рост модельного покрытия производились в декартовой системе координат x, y, z (оси располагаются в плоскости подложки - Рисунок 3.9).

Рисунок 3.9. Модельная система координат. Показаны процедуры ввода атомов в область моделирования, миграции и применения периодических граничных условий.

Пространственный шаг выбирался в диапазоне 0.01-1 мкм. При использовании КМК состояние вводимой частицы отслеживается непрерывно.

По достижении частицей поверхности подложки или осаждаемого покрытия при наличии достаточной кинетической энергии, совершается определенное количество движений по вакантным ячейкам решетки. Модель учитывает возможность столкновения атома углерода с кислородом, что приводит к удалению атома из расчетной области. Таким образом, этапы моделирования можно представить следующим алгоритмом:

1) задание характерных размеров расчетной области: размер зерна металлической сетки (d), расстояние между сеткой и подложкой (l);

2) перевод истинных размеров в пропорциональные;

3) описание граничных условий;

4) задание параметров воздействия: мощность лазерного излучения, напряженность электрического поля;

5) движение и осаждение атомов.

Описанный алгоритм повторялся до достижения требуемых значений количества осажденных атомов (n), которое изменялось от 103 до 106 шт. В модели используются граничные периодические условия по осям абсцисс и ординат. Так, например, частица, покинувшая модельную область справа, вернётся, но уже слева с прежней скоростью и под тем же углом.

Направление движения каждого атома задаётся в сферических координатах:

где R – функция распределения атомов, в модели использовалось нормальное и равномерное распределение.

Скорость частиц r рассчитывалась для заданных модельных условий, а изменение координат на следующем шаге определялось как:

Результаты моделирования распределения частиц на подложке, при прохождении потока аблированных частиц через пространство анода-сетки, представлены на Рисунке 3.10. Проведенное моделирование демонстрирует эксперимента, что качественно совпадает с результатами, полученными в наших экспериментах.

Рисунок 3.10. Модельные изображения осажденного слоя для различных условий численного эксперимента: а) l=0.5мм, d=100мкм; n=106 ; б) l=0.5мм, d=400мкм; n=106 ; в) l=2мм, d=100мкм; n=106; г) l=0.5мм, d=100мкм; n=103.

прозрачных наноструктурированных углеродных покрытий, состоящих из углеродных нанотрубок и/или наноструктурированных массивов углеродных наночастиц при лазерном напылении. Полученные нанопокрытия могут быть использованы для изготовления проводящих прозрачных слоев на поверхности стеклянной поверхности, в том числе и для гибких дисплеев.

Продемонстрирована возможность получения в лазерном эксперименте наноструктур с различной морфологией, управляемой за счет изменений условий эксперимента. Для решения задачи синтеза вертикально ориентированных нанотрубок возможно использовать стекла с предварительно напыленным прозрачным слоем, например оксида цинка и вытравленной матрицей.

4. Обобщение и оценка результатов выполненной НИР и возможности их применения.

4.1. Оценка результатов и оценка перспектив их применения.

В ходе выполнения Государственного контракта выполнены все научноисследовательские работы, предусмотренные «Календарным планом выполнения работ». Характер научных исследований определялся составом и возможностью уникальной системы установок, а именно парком лазерных систем и диагностического оборудования.

Прежде всего, осуществлены научно-исследовательские работы в направлении развития методов и технологий наноструктурирования материалов лазерным излучением с ультракороткой длительностью импульсов с применением фемтосекундных лазерных систем, являющихся основой уникальной системы установок. Данные работы были начаты на первом этапе выполнения проекта и продолжались в дальнейшем.

При этом, использовались и другие лазерные системы, которые позволяли производить обработку материалов непрерывным излучением или лазерными импульсами миллисекундного и наносекундного диапазона. Данный подход дал возможность сравнительного анализа результатов предлагаемых методов и подходов к лазерному наноструктурированию материалов в зависимости от характеристик силового излучения.

Экспериментальные исследования проведены с использованием трех основных для лазерных нанотехнологий исходных материалов: монолитные мишени, коллоидные системы и порошковые материалы. Структура исходных материалов (как и предполагалось) оказывает существенное влияние на результаты лазерного воздействия.

Таким образом, диапазон исследований режимов и схем лазерного наноструктурирования материалов был достаточно широким. Данный подход к выполнению проекта изначально определялся широкими возможностями уникальной системы установок и был успешно реализован. Все полученные результаты имеют значение для развития фундаментальных основ лазерных нанотехнологий. Однако в условиях научно-исследовательской работы конкретного коллектива исполнителей проекта возникает необходимость концентрации внимания на развитии наиболее перспективных с точки зрения практической реализации направлений. Таким направлением в рамках выполненного проекта стал синтез наноструктур при лазерном воздействии на коллоидные системы. На четвертом этапе проекта данному направлению отведено основное внимание, как в части развития, так и определения возможных фундаментальных и практических применений.

Конкретные работы были направлены на исследование электрического сопротивления металлических микроконтактов кластерного типа, полученных на твердой диэлектрической подложке с использованием метода лазерного осаждения металлических наночастиц из коллоидных систем.

Предпосылки исследований.

Формирование микроконтактов электросопротивления – актуальная задача микро- и наноэлектроники. При решении данной задачи решающими становятся 3 фактора: характерные размеры контакта, топология образующихся микро- наноструктур и собственная электропроводность массивного образца материала.

Под размерами резисторного контакта понимается его длина как в поперечном направлении (z, x) – высота H и ширина D, – так и в продольном (y) – длина L (см. Рисунок 4.1) по отношению к направлению напряженности внешнего электрического поля. Это поле может быть приложено вдоль любой координаты (x, y, z); считаем, что реализуется участок цепи пленочного типа с поперечным сечением по координатам x, z.

При этом топология совокупности таких рассматриваемых модельных контактов на твердой поверхности – когда речь идет об электросопротивлении системы в целом – является неоднородной и включает в себя ансамбль кластеров – омических контактов и областей изоляций (тел резисторов), – которые легко можно представить в виде эквивалентной (модельной) контролируемого выбора режимов (ср. с [30]).

Рисунок 4.1. Геометрия изолированного микроконтакта – электропроводящего участка – на твердой поверхности: D, H – поперечные размеры, определяющие сечение участка проводника, L – продольный размер по направлению распространения тока.

Физика электрических процессов в таких наноструктурированных системах кластерного типа связана с электронной проводимостью в размерных тонкопленочных элементах. При этом электроны с энергией вблизи/выше проводимости), связанный с движением вдоль (L) контакта. Другая картина (размерные эффекты) наблюдается при движении электронов поперек (D, H) контакта.

При поперечных размерах контакта порядка нескольких микрометров возможна конкуренция баллистической и тепловой проводимости [31]. В случае, когда поперечные размеры контакта сравниваются (меньше) с длиной свободного пробега электрона в материале (порядка 50 нм для металла) может реализоваться баллистическая сверхпроводимость даже при комнатных температурах [32]. Для характерных размеров 10-100 нм возможно проявление квантовых эффектов, в частности, в транспорте электронов (также при комнатной температуре).

В последнем случае поперечные размеры контакта становятся настолько малыми, что необходимо учитывать квантование движения электрона (как в задачах с потенциальной ямой/барьером), что приводит к возникновению нескольких дискретных уровней [33,34]. Каждый дискретный уровень поперечного движения соответствует «одномерному каналу», по которому переносится ток, определяемый квантом проводимости G.

С увеличением поперечных размеров контакта (до 100 нм) электронам с энергией вблизи/меньше энергии Ферми становятся доступны новые уровни.

Это означает, что открываются дополнительные квантовые каналы переноса тока. В таких наноструктурированных материалах возникает явление квантования кондактанса (при открытии каждого такого канала кондактанс увеличивается на величину G) [33].

Остаточное сопротивление в таких структурах связано с тем, что через образец конечного сечения может пройти ограниченное количество зарядов при приложении к нему внешнего электрического напряжения.

Принципиальное значение для данного направления исследований имеет конкретная топология пленочных микро- наноструктур, определяющих их резисторные свойства. В свою очередь эта топология связана с процессом получения таких структур. Обычно речь идет об эпитаксиальной и/или ионнолегированной технологиях.

В последнем случае для типичных прецизионных резисторов (например, на арсениде галлия) величина электросопротивления прямоугольного полупроводникового резистора определяется через соответствующие параметры согласно соотношению [30]:

где Rk – электросопротивление омического контакта (Ом·мкм); Rc – слоевое электросопротивление полупроводникового легированного слоя (Ом/см 2); L – длина (мкм) тела резистора, равная расстоянию между омическими контактами;

Wэф – эффективная ширина (мкм) резистора; – поправка на ширину измерительного прибора, равная разности между топологической и эффективной ширинами. Значение, например кОм, определяется значениями – W=9 мкм, =0.5 мкм, L=40 мкм (при ширине омического контакта – 9 мкм и его длине – 6 мкм).

Использование лазерных методов позволяет управляемым образом реализовывать различные/переменные кластерные модификации твердотельных покрытий в зависимости от конкретной схемы лазерного осаждения вещества на подложку, в т.ч. резко неоднородных – фрактального типа. Для расчета электросопротивления регулярных резисторных структур в конкретных устройствах оптоэлектроники можно использовать вышеприведенное соотношение, которое, однако, достаточно сложно применять для фрактальных структур.

Далее приведены результаты выполненных лазерных экспериментов по данной проблематике для поверхностных/фрактальных наноструктур металлов/полупроводников, а также их анализ и обсуждение. При этом выявленные закономерности носят общий характер и универсальны для твердотельных наноструктур из металлов и полупроводников.

Для формирования микроконтактов использовался метод лазерного осаждения металлических наночастиц из коллоидных систем на твердую диэлектрическую подложку, который позволяет формировать протяженные массивы наночастиц кластерного типа с управляемой морфологией [35-37].

(металл/полупроводник) варьировались от 5 мкм до 60 мкм в поперечном направлении и произвольной длины в продольном (от 5 мкм) с толщиной (высотой) осаждаемой структуры от 200 нм до 10 мкм (с шероховатостью, соответственно, – от 5 нм до 500 нм).

присутствовали наночастицы атомарного никеля (Ni) со средними размерами 10, 25, 50,100 нм (по одному размеру в каждом эксперименте). Выбор данного материала обусловлен тем, что, в настоящее время он все более активно используется в устройствах наноэлектроники благодаря существенному изменению физических свойств при переходе в наноструктурированное состояние.

На Рисунке 4.2 представлено полученное с помощью атомно-силового микроскопа АСМ-изображение осажденного протяженного массива наночастиц никеля из коллоидного раствора (на основе глицерина) на поверхность стеклянной/кварцевой подложки (с начальным размером частиц в коллоиде – 100 нм).

Рисунок 4.2. АСМ-изображение осажденного протяженного массива наночастиц никеля (диаметр частиц в коллоиде 100нм): а) двумерное изображение; б) продольный профиль; в) поперечный профиль. Приведенная система координат соответствует Рисунку 4.1.

Осаждение осуществлялось с использованием лазерного комплекса на основе иттербиевого волоконного лазера (=1.06 мкм) с длительностью импульсов 100 нс, частотой следования импульсов 20 кГц, и средней мощностью 2.5 Вт; размер лазерного пучка на поверхности подложки, на которой формировалась наноструктура, – 40 мкм.

Коллоидный раствор наночастиц наносился на поверхность стеклянной подложки тонким слоем толщиной до 1 мм. Формирование массива наночастиц на поверхности подложки (зернистая его структура – область осаждения – осуществлялось сканированием лазерного пучка (дважды вдоль одного и того же направления) со скоростью 0.6 мм/с. Сформированный массив наночастиц имел протяженность 100 мкм, средний поперечный размер 40 мкм, среднюю высоту 1.8 мкм и шероховатость – 27 нм. С уменьшением размеров наночастиц изменялись средняя высота осажденного массива наночастиц – до 200 нм – и шероховатость – до 5 нм (для наночастиц с начальными размерами 10 нм в коллоиде).

Сходные по виду с Рисунком 4.2 изображения получаются и для полупроводниковых материалов. В целом регистрируемые изображения и профили возникающих структур для металлов и полупроводников качественно одинаковы. Их можно считать кластерными структурами с числом атомов не менее нескольких тысяч в каждом кластере/зерне (более точно – для кластерных невзаимодействующих пучков размер кластеров в пучках – порядка нескольких десятков нанометров с количеством атомов от 103 до [27]).

Однако, для полупроводниковых структур наиболее перспективным в развитии подобных технологий является нанесенные проводящих слоев более сложной топологии, в частности, квантовых нитей. На этом мы остановимся ниже.

Фрактальная модель и обсуждение результатов Полное электросопротивление R образовавшегося в неоднородной структуре микроконтакта (для электропроводности по его продольной длине, вдоль которой прикладывается поле ) может быть рассчитано для случая, когда характерная длина резисторного участка определяется длиной свободного пробега электрона, согласно соотношению [31,35]:

удельное электросопротивление контактирующих частиц материала, – электросопротивление микроконтакта в баллистическом режиме движения электронов для случая точечного (в поперечном сечении) контакта (при ), – скейлинговая функция, определяющая доминирующий механизм проводимости.

Получаемые в нашем эксперименте наноструктуры находятся на микроконтакт состоит из наночастиц с размерами a, приближающимися к длине свободного пробега электрона в материале (l~10-100нм), т.е. считаем, что внутри каждой наночастицы электрон может двигаться бесстолкновительно [32]. При этом ток в данной системе соприкасающихся наночастиц будет протекать только через поверхности соприкосновения – площадки с площадью, стремящейся к нулю.

Таким образом, речь идет об образовании множества продольных каналов для протекания тока, что существенно затрудняет поперечное распространение тока (нет целостного/однородного поперечного сечения для электросопротивления микроконтакта необходимо модифицировать выражение для стандартного закона Ома для участка цепи.

Расчет электросопротивления для неоднородного по поперечному сечению участка цепи определяется интегральным соотношением:

где – удельное электросопротивление материала, S – площадь поперечного сечения, пределы интегрирования определяют выбранную длину проводника (она может быть сравнимой с длиной свободного пробега электрона, что определяется характерными размерами кластера/наночастиц).

Для проводящего слоя, подобного представленному на рисунке 4.2, использование соотношения (4.3) не вполне корректно, поскольку наблюдаемый рельеф возникающей зернистой структуры, строго говоря, не является всюду дифференцируемой функцией и при получаемых характерных размерах протяженных массивов наночастиц размерные эффекты начинают оказывать существенно влияние на проводимость материала.

Для более точного расчета электросопротивления в данном случае требуется перейти от интеграла (4.3) к сумме:

где – длина и – площадь поперечного сечения i-го зерна.

Очевидно, что общая длина проводящего участка будет зависеть от точности проводимых измерений (количества точек в измеряемой области).

Поэтому вместо суммирования по элементам участка цепи можно оценить общую длину характерного продольного профиля осажденного слоя вдоль которого распространяется ток, используя методы фрактальной геометрии:

где – длина наблюдаемой кривой по прямой от начальной до конечной точки контактов на проводящей поверхности, – длина множества покрытия (расстояние между соседними измерениями), – фрактальная размерность наблюдаемого осредненного рельефа вдоль продольного направления, рассчитанная по методу предложенному нами в работе [38].

Использование атомно-силового микроскопа (АСМ) позволяет провести достаточно точные измерения данных параметров. Расстояние между точками будем определять как, общая длина измеряемой области –.

Аналогичным образом учитывается изменение площади поперечного сечения покрытия:

эллипса, в который вписан усредненный рельеф поперечного среза, – фрактальная размерность границы поперечного среза проводящего участка на поверхности подложки.

модифицированному соотношению для расчета электросопротивления участка цепи с фрактальным рельефом:

Таким образом, при измерении электросопротивления в наноструктурах необходимо учитывать изменение значения сопротивления в зависимости от морфологии полученного в процессе лазерного осаждения поверхностного нанослоя.

Внесенные поправки – соотношение (4.7) – будут существенными в том шероховатости поверхности осажденного слоя начинает оказывать существенное влияние на сопротивление участка материала в целом.

Изменение значений фрактальных размерностей, являющихся управляемыми параметрами задачи, в общем случае должно приводить и к изменению величины электрического сопротивления. Необходимо отметить, что точность определения фрактальной размерности будет существенно влиять на величину рассчитываемого по формуле (4.7) значения сопротивления. Для повышения точности расчета величин и измерения на атомно-силовом микроскопе проводились с разрешением 1000 измеряемых точек на 100мкм, что позволило определять значение фрактальных размерностей с точностью до второго знака после запятой.

Использование соотношения (4.7) с рассчитанными по данным эксперимента значениями фрактальных размерностей и =1.29 дает значение электросопротивления заданного участка 16.03 Ом для исследуемых кластерных структур атомарного Ni.

Измеренное в эксперименте значение электросопротивления того же участка с использованием измерителя электросопротивления RMS-EL-Z дает значение 15.37±0.61 Ом. Точность данного измерения электросопротивления определяется усреднением по близким (случайным – при многократных измерениях) точкам контакта датчика/иглы измерителя электросопротивления и исследуемой поверхности (при фиксированном – в среднем – расстоянии между измеряемыми точками участка цепи). Кроме того, происходит дополнительное усреднение в локализованной точке по поперечному сечению конца измерительной иглы измерителя электросопротивления. Оба эти фактора определяют фактическую точность измерения.

При сохранении тех же макроразмеров наноструктуры Ni, но с увеличением шероховатости поверхности за счет движения лазерного пучка с =1.24 величина электросопротивления в соответствии с соотношением (4.7) увеличивается и составляет 23.61 Ом.

В этом случае, при прямом измерении значение сопротивления получается R=24.79±0.81 Ом.

поверхности, когда фрактальные размерности наноструктур могут стремиться к 2, будет наблюдаться существенное увеличение сопротивления. Это препятствует формированию однородных каналов электрического тока внутри материала.

Отличие в значениях величин электросопротивления, – рассчитанных в соответствии с (4.7) и непосредственно измеренных, – определяется (кроме влияния аппаратной функции измерителя и качеством электроконтакта) как выбранной процедурой усреднения профиля осажденного слоя, так и влиянием размера наночастиц (см. Рисунок 4.3). Кроме того, физическая причина таких различий может быть связана с проявлением эффекта квантования кондактанса.

Рисунок 4.3. Зависимость электросопротивления R от диаметра d образовавшихся на проводящей поверхности наночастиц кластеров атомарного Ni. Красные маркеры – непосредственно измеренные значения, зеленые – рассчитанные с помощью АСМ-измерений Очевидно, что размер частиц, используемых для формирования микроконтакта, будет существенно изменять величину электрического сопротивления. Такую зависимость можно выявить, изготавливая и осаждая коллоидные системы из наночастиц различного размера. Однако, однозначное сравнение результатов затруднительно, т.к. с уменьшением размеров наночастиц уменьшается и шероховатость контакта, а также сама фрактальная размерность. Тем не менее, можно определить общую закономерность.

Результаты наших измерений представлены на Рисунке 4.3.

Как видно из данной зависимости управлять электросопротивлением осажденного нанослоя можно, используя не только непосредственное изменение шероховатости поверхности, за счет условий лазерного эксперимента, но и размера осаждаемых на подложку наночастиц. Важно, что с уменьшением размера наночастиц значения сопротивления, полученные с помощью соотношения (4.7), приближаются к непосредственно измеряемым величинам.

Этот факт, связанный с лучшей применимостью фрактальных подходов к наноструктурам с малыми размерами наночастиц, требует введения дополнительного корректирующего члена в выражение (4.7). Процедуру можно выполнить феноменологически, основываясь на требовании совпадения экспериментальных значений с вычисленными (по соотношению (4.7)) с помощью соответствующего подгоночного параметра.

В заключение отметим, что в любом случае расчетные значения R будут чувствительны к точности собственно полученных значений фрактальных параметров – D и D1. Эта точность сама зависит от выбранной процедуры оценки этих параметров (ср. [38]). В данном случае достаточен был расчет значений D и D1 до второго знака после запятой (дальнейшее уменьшение шага расчета существенно не меняло степени совпадения на рисунке 4.3 значений R – рассчитанных и измеренных).

Основные физические следствия для наноструктурированных электропроводящих слоев и перспективы дальнейших исследований При рассмотрении физических процессов в наноструктурированных материалах необходимо говорить о трех типах эффектов, которые возникают в них и отличают их от исходных массивных образцов (ср. с [29]). Первое, – это квантоворазмерные эффекты для нанообъектов с размерами сравнимыми с длиной волны де-Бройля, что проявляется для наноструктур размером менее нм (число атомов rкр кластеры должны быть устойчивы по отношению к тепловым флуктуациям, что соответствует нашим условиям существования наночастиц. При этом для r>> rкр заряд кластера может быть большим (z>>1).

Во-вторых, в модели кластера как жидкой заряженной капли радиуса r порог его неустойчивости (рассматриваем малые деформации/колебания в рамках неустойчивости Рэлея) определяется конкуренцией поверхностной энергии (4r2, где – коэффициент поверхностного натяжения) и энергии кулоновского взаимодействия зарядов (внутренних) в кластере (z2e2/2r).

Поэтому для соответствующего размерного параметра имеем:

который определяет порог неустойчивости кластера.

Для 1.74·103 дм/см (как в массивном проводящем образце Ni) приходим (для z~1) к оценке rнеуст~1нм, т.е. кластер становится неустойчивым только в случае очень малых размеров, когда он разрушается под действием внутренних электрических полей. В целом проблема электрической неустойчивости именно металлических кластеров не является столь существенной [41].

Особенностью рассматриваемых наноструктурированных материалов кластерного типа является увеличение проводимости за счет поверхностной проводимости, связанной с границами наночастиц (ср. с [29]). Данный эффект аналогичен усилению роли дефектов в проводимости нанокомпозитов (определяется их морфологией), которая увеличивается в поликристаллических образцах по сравнению с монокристаллами и пропорциональна концентрации дефектов. При этом вклад поверхностной проводимости возрастает обратно пропорционально толщине поверхностного слоя (пленки), т.е. в структурах с малыми размерами проводящих частиц она доминирует [29]. Поскольку повышенной проводимости материала наночастиц вблизи таких границ (вдоль границ) должна возрастать проводимость самой наноструктуры.

транспортных свойств в материале, приводят к эффектам неупругого рассеяния (на фононах), определяющим реальную дрейфовую скорость Vg частиц в транспортных явлениях (в нашем случае – электропроводности во внешнем электрическом поле E). В рамках кинетического уравнения Больцмана величина Vg определяется в виде [27, 35]:

где q – электрический заряд частицы, p(E) – время релаксации, в течение которого функция распределения частиц по скоростям/импульсу переходит в равновесное состояние после выключения поля E. Без поля E член в правой порядков по сравнению с массивными образцами и механизмы миграции зарядов носят коллективный характер [29].

Интересный эффект в такой системе, по сути представляющей собой конденсатор емкости С (туннельный переход между двумя металлическими контактами), – возможная «кулоновская блокада» при прохождении/ барьера/потенциальной ямы, т.е. отсутствие тока в данной структуре при приложении внешнего напряжения вследствие кулоновского отталкивания этих частиц [27]. Это дает возможность управления электропроводностью в такой системе.

одноэлектронном туннелировании для преодоления кулоновского барьера) определяется соотношением (где G – проводимость туннельного перехода, G=2q2/h, обратная величина 1/G – квантовое сопротивление). Отсюда получается требование на разность потенциалов (управляющий параметр) UКб=q/(2C), которую надо приложить к переходу [28]. Соответственно, для емкости имеем оценку для проявления кулоновской блокады Сe, отделенной туннельными переходами от контактов, достижение подобного режима, аналогичного одноэлектронному режиму, возможно.

Общая проводимость подобных систем будет существенно зависеть от температуры и распределения примесей. Так, например, для системы металлоксидный расплав – значения электрического сопротивления может уменьшаться в сотни раз для железоуглеродистого и боросодержащего расплавов в присутствии оксидных расплавов (шлаков) при незначительным нагреве (порядка 10%) [29].

Поэтому и в рассматриваемых нами комплексных наноструктурах электропроводность можно резко изменяться с вариацией температуры. В нашем эксперименте это может быть связано с лазерным нагревом, при котором возникновение градиента температуры приводит к градиенту плотности атомов, образующих кластер. Кроме того, здесь возникают высокоэффективные процессы теплопередачи между наноструктурами за счет сильного увеличения (на порядки) радиационной передачи тепла неоднородными волнами между близкими нанообъектами.

В связи с этим температурные зависимости для электропроводности в наших структурах требуют отдельного исследования (речь идет фактически о трехтемпературной системе, в которой температура кластера лежит между электронной температурой и газовой температурой для атомов, из которых образовался кластер). Здесь же только отметим, что для наноструктур с квантовыми точками характерна (при комнатных температурах) в целом металлическая зависимость для электросопротивления – уменьшается с ростом температуры. Для сформированных двумерных слоев квантовых точек (эффективный размер квантовой точки – радиус локализации – 53 нм) удельное короткопериодных сверхрешетках – существенно меньше этого значения [40].

При этом в первом случае для температур ниже 200K зависимость имеет резкий скачкообразный характер – изменение на порядок величины. Эти эффекты могут проявляться и в кластерных периодических наноструктурах, которые возникают в нашем эксперименте.

С другой стороны, степень неоднородности материала определяется размером наночастиц, т.е. с его уменьшением должна возрастать проводимость (падает сопротивление), что и демонстрирует Рисунок 4.3. Описание обсуждаемых эффектов возможно в рамках теории перколяции, фиксирующей порог проводимости – резкое ее изменение – при определенном значении концентрации проводящих наночастиц (см. напр. [29]).

Такое управляемое – в требуемом темпе – уменьшение электрического сопротивления вполне реально при различных соотношениях между неоднородностям и в наноструктурированных материалах. Приведенные нами результаты в настоящей статье подтверждают эту возможность и обозначенные тенденции в зависимости от рассмотренных управляющих параметров задачи.

Следовательно, используя предлагаемый метод получения наноструктур, можно ожидать, что при формировании на поверхности диэлектрической подложки отдельных металлических кластеров будет происходить существенное падение величины сопротивления. Действительно, хотя в структуре осажденного слоя будут присутствовать лакуны, но из-за близкого расположения/перекрывания элементов кластера друг к другу возможно эффективное прохождение тока по данной структуре.

Для проверки этого предположения были осаждены фрактальные кластерные структуры специального типа (при соответствующем изменении условий эксперимента), которые представлены на Рисунке 4.4 (атомарные кластеры Ni на кварцевой подложке после одного лазерного прохода).

Расчет значения электросопротивления по фрактальной модели (соотношение (4.7)) для структуры, представленной на рисунке 4.4а, дает значение 0.210 Ом, а для структуры - рисунок 4.4б – 0.127 Ом, т.е. заметно меньшее значение.

Прямое измерение электросопротивления для данных структур т.е. хотя и зарегистрирована та же тенденция уменьшения значения электросопротивления в перекрывающихся кластерных структурах, однако, абсолютные цифры по результатам измерений отличаются от численных расчетов в 20-30 раз.

Такое большое расхождение значений не может определяться только переходной структурой осажденного слоя, внутри которой формируются как кластеры, так и более протяженные структуры. Тем более, что рисунок 4. демонстрирует хорошее совпадение результатов расчета и прямых измерений.

Рисунок 4.4. АСМ-изображения осажденных кластерных структур:

а) островковые структуры; б) сферические нано- и микрочастицы, образующие кластерное соединение/перекрывание (атомарные кластеры Ni на кварцевой подложке).

Одна из возможных причин, связанная с влиянием морфологии осажденного слоя, – аномально низкое значение коэффициента диффузии в образцах с фрактальными кластерными наноструктурами, который напрямую определяет подвижность зарядов, т.е. проводимость нанослоя. Этот эффект, действительно, зарегистрирован и обсуждается в нашей работе [36].

С другой стороны, в данном случае представляется, что определенную роль начинают играть механизмы упоминавшейся выше кулоновской блокады.

Они могут ограничивать перенос заряда в наноструктуре при реальных измерениях, что, очевидно, не учитывается в расчетах согласно соотношению (4.7).

Действительно, возможность проявления этого эффекта именно для кластерной системы определяется, во-первых, тем, что ее заряд может быть значительно больше элементарного заряда электрона. Поэтому величина упоминавшейся выше емкости, необходимой для проявления кулоновской блокады, возрастает.

Во-вторых, – сама морфология наноструктуры способствует реализации контактов между кластерными структурами на поверхности твердой подложки (аналог туннельных переходов для одиночных электронов), в данном случае – в виде параллельной последовательности множества переходов (см. рисунок 4.4б), для которой паразитная емкость системы уже не шунтирует емкость этих переходов (ср. с [27]). Однако, этот вопрос требует более детального исследования.

К сожалению, прямая регистрация вольт-амперной характеристики представлялась возможной из-за происходящего пробоя проводящего поверхностного слоя при значениях тока выше нескольких наноампер (это реализовывалось с помощью упоминавшегося выше, используемого, измерителя электросопротивления).

Полученная тенденция к уменьшению сопротивления в подобных кластерных наноструктурах делает перспективным получение проводящих контактов со свойствами близкими к сверхпроводникам при комнатной температуре.

многокомпонентной системе (наноструктурированные материалы) эквивалентно наличию примесей в однородной среде, которые понижают температуру фазовых структурных превращений. Более того, температурный фактор соответствует термодинамическим – в данном случае размерным – параметрам в наноструктурированных материалах.

Поэтому в зависимости от типа границ (разные их модификации могут существовать одновременно для данной неоднородной структуры – Рисунок 4.2) и их размеров кинетические параметры возникающих структур могут сильно изменяться. Выше это уже и было показано для металлических наноструктур.

Сейчас кратко остановимся на результатах для полупроводниковых наноструктур.

На Рисунке 4.5. показана структура сформированного микроконтакта на основе наночастиц PbTe. Данный материал представляет интерес для изготовления фото- или терморезисторов. Как показано в работе [39], данный материал демонстрирует эффекты самоорганизации при лазерном воздействии.

Сам процесс кластерообразования в такой системе – отдельный вопрос. Мы здесь остановимся только на топологии образующихся структур.

Рисунок 4.5. АСМ-изображение поверхности микроконтакта, сформированного на основе осаждения наночастиц PbTe на поверхность стеклянной подложки.

В данном случае формируются квантовые нити в структуре осажденного слоя. При этом можно ожидать, что величина Vg с увеличением E будет увеличивается только до некоторого максимального значения (не более (1см/с при T=300K), а затем может даже уменьшаться (из-за рассеяния на оптических фононах).

подвижности зарядов в соотношении (4.12). Они связаны с энергетическими диаграммами/параметрами конкретных атомов, когда p(E) в (4.12) определяется уже не импульсом, а энергией. Эти эффекты проявляются при энергиях электронов выше 0.3 эВ [27].

Когда поле E является импульсным, то на общей плавной зависимости для (E) могут наблюдаться «всплески» (в разы), определяющие «баллистический» режим распространения (на промежутке времени 10 -12 – 10с) [36]. Это соответствует пространственному масштабу неоднородности проводящего слоя порядка 100 нм.

Если говорить о практическом использовании данного эффекта, то длительность этого «всплеска» достаточна для его существования во все время пролета заряженной частицы через образовавшуюся субмикронную структуру.

Это и есть баллистический транспорт в полупроводниках.

В рамках рассматриваемых представлений подвижность носителей зарядов q в соотношении (4.12) может быть связана с электропроводностью e неоднородной структуры соотношением (ср. с [40]):

где e0 – электропроводность однородного массивного образца, индекс суммирования i указывает на i-й подвижный дефект, n0i, ni – среднее арифметическое значение концентрации дефектов i-го сорта, соответственно в объеме и на поверхности, – эффективная толщина слоя проводящих частиц, Lа – размер наночастицы, (1-f) – доля проводящих частиц в слое, f – доля непроводящих частиц («пустот» в нашем случае) в слое.

Соотношение (4.13) применимо в предельных случаях f0 и f1.

Возможность использования такого эффекта требует дополнительных исследований.

Здесь необходимо также учитывать оболочечные модели кластерных структур с соответствующими магическими числами, которые определяют пространственные группы симметрии для кластеров и могут приводить к возникновению корреляций между нанокластерами (их спариванию), а в результате – к высокотемпературным (вплоть до комнатных температур) эффектам сверхпроводимости [27]. Особенно сильно этот эффект должен проявляться при нанесении кластеров на твердую поверхность (тонкие пленки с разрывами и перекрытиями) в условиях их туннельной связи (аналог джозефсоновских переходов).

кластерообразования, когда эволюция процессов с разными характерными временными масштабами приводит к разным стадиям (и маршрутам) зарождения и роста кластерных наноструктур, их агломератов и твердого тела в целом, в каждой из которых транспортные электрические свойства имеют свою специфику и соответствующие времена релаксации (ср. с [41]). В частности, отдельного внимания требуют особенности развития наносистем, связанные с запаздыванием упорядочения (стабилизирует наноструктуру) по сравнению с укрупнением самих наночастиц, образующих наноструктуру.

Таким образом, исследования свойств электропроводности металлических микроконтактов, нанесенных методом лазерного осаждения наночастиц из коллоидных растворов на поверхность стеклянной подложки, имеют несомненное фундаментальное и практическое значение. В ходе проекта предложен способ определения/расчета сопротивления микроконтакта на основе подходов фрактальной геометрии и показано, что предлагаемый подход позволяет направленным образом изменять свойства электропроводности в зависимости от управляемой лазерным излучением морфологии осажденного слоя. При этом необходимо учитывать диаметр осаждаемых на подложку наночастиц, площадь контактных поверхностей и др. Влияние этих факторов носит общий характер и универсально для рассматриваемых металлических и полупроводниковых наноструктурированных материалов. Дальнейшие исследования представляют особый интерес в связи с вопросами проявления в таких структурах макроскопических квантовых эффектов электропроводности при комнатных температурах.

Результаты работ с халькогенидами металлов стали основой для поданной заявки на изобретение «Способ получения полупроводниковых наночастиц» (авторы: Антипов А.А., Кутровская С.В., Кучерик А.О., Осипов А.В.).

Изобретение относится к области технологии изготовления наночастиц и может быть использовано при получении новых материалов для микро- и оптоэлектроники, светодиодных ламп, силовой электроники и других областей полупроводниковой техники.

Техническим результатом данного изобретения является создание способа получения полупроводниковых наночастиц при воздействии лазерного излучения на полупроводниковые образцы (кристаллы халькогенида свинца PbTe, PbS, PbSe) помещенные в инертную жидкую фазу. Такое решение приводит к уменьшению технологических этапов и не требуется специального оборудования.

Технический результат достигается тем, что в способе получения полупроводниковых наночастиц, полупроводниковый образец (кристалл халькогенида свинца - PbTe, PbS, PbSе.) помещают в инертную жидкую фазу (например глицерин), лазерное излучение фокусируют со стороны раствора на границе раздела образец-жидкость с диаметром пятна от 50 мкм до 100мкм варьируя мощностью в диапазоне от 4 Вт до 10 Вт без образования оптического пробоя.

4.2. Технико-экономическая часть.

Краткая характеристика разработки Целью выполнения данной научно-исследовательской работы является разработка физических принципов получения микроконтактов на поверхности диэлектрических материалов в процессах лазерной абляции/осаждения с использование излучения с короткой и ультракороткой длительностью импульсов.

Металлические и углеродные наноструктурированные материалы получают все большое распространение в задачах микро- и наноэлектроники.

Наибольшее распространение в данном направлении получают задачи управляемого наноструктурирования и контроль макротопологии, что делает данную группу материалов перспективной с точки зрения наблюдения квантово-размерных эффектов, формирования наноструктур и создания опто- и наноэлектронных приборов на их основе.

Проблемой данной предметной области является отсутствие на данный момент отработанных технологических методик, позволяющих максимально эффективно наносить микроконтакта с использованием методик «top-down» и «bottom-up» (лазерно-плазменных технологий), совместимых с традиционными технологией производства приборов электроники. Разрабатываемые в настоящее время методы требуют многостадийных процессов с низким эффективным выходом с привлечением дорогостоящей техники молекулярнолучевой эпитаксии.

Альтернативные новаторские методики, предлагаемые в рамках данного проекта, позволяют формировать наноструктуры с фиксированными геометрическими размерами без применения высокотемпературных процессов, что позволит решить задачу интеграции с технологиями микроэлектронных процессов. Один из предлагаемых подходов заключается в получении прозрачных наноструктурированных углеродных покрытий при лазерной абляции в статическом электрическом поле. Второй предлагаемый нами подход состоит в получении микроконтактов на поверхности стекол с использованием технологии лазерного осаждения металлических наночастиц из коллоидных систем.

Задачами, решаемыми в данной работе, являются: разработка методов и достижения стабильности предлагаемых решений в задачах управляемого лазерного формирования наноструктурированных контактов на поверхности стекол.

Подходы, разрабатываемые в данном проекте, позволяют в большой степени решить вышеуказанные проблемы, имеющиеся в предметной области.

Создание и исследование свойств наноструктурированных микроконтактов конденсированного состояния. Разработка физических основ формирования наноструктурированных контактов имеет широкие перспективы в создании нано- и оптоэлектронных приборов нового поколения для телекоммуникаций, медицины, экологии, связи, обороноспособности страны.

Анализ рынка - положение дел на рынке, перспективы, оценка конкурентов, анализ спроса предполагаемой продукции При формировании металлических покрытий на поверхности различных материалов широкое распространение получил метод химического восстановления металлов из растворов (AED). Альтернативным методом формирования тонких пленок из жидкой фазы (электролитов) является метод лазерного осаждения металлов из раствора (Laser-induced Chemical Liquid phase Deposition (LCLD) method). Данный метод достаточно прост в реализации, но до практического применения не подходит. В результате многократного осаждения формируется наноструктурированная поверхность с сильно неоднородным рельефом, что является плохим показателем для применения в устройствах микро и оптоэлектроники. Так же создание устойчивых электролитов для многих металлов является отдельной и временами достаточно сложной задачей, что ограничивает круг используемых материалов. Поэтому одним из возможных решений является использование коллоидных растворов, который может состоять из двух и более компонент. Разработка и исследование нового метода осаждения сплавов на различные типы подложек откроет новые горизонты в области микро- и оптоэлектроники.

Синтез прозрачных углеродных нанопокрытий одно из перспективных направлений получения гибких контактов и мониторов. В настоящее время для решения данной задачи активно применяются методы синтеза графеновых пленок из метан-водородной смеси на никелевой или медной фольге.

Перспективным методом является возможность синтеза углеродных нанотрубок при осаждении паров этанола. Преимуществом данного метода является сравнительно низкие температуры до 750оС и высокий выход материала, предположительно за счет наличия свободного кислорода, что позволяет удалять из области осаждений аморфный и дефектный углерод.

Однако во всех представленных случаях процесс формирования углеродных наноструктурированных покрытий происходит в две стадии. На первой покрытия формируются на металлической фольге. Во время второй стадии слой покрытий переносится на поверхность стеклянной подложки.

3.Необходимые трудовые ресурсы. Необходимое оборудование.

Предполагаемая себестоимость Новые методы, разработанные в ходе выполнения проекта, позволяют получать наноструктурированные контакты на поверхности диэлектриков.

Для перехода исследований на стадию опытно-технологических работ необходимо привлечь на постоянной основе следующее оборудование:

Диагностический блок:

- сканирующий зондовый микроскоп «Интегра-Аура», являющийся одной из наиболее совершенных и точных сканирующих зондовых систем. Поле сканирования 120х120х12 мкм, точность до 0,05 нм, режимы работы:

контактный, прерывисто-контактный, бесконтактный; возможны измерения на воздухе, в низком вакууме (10-1 Торр), инертных газах.

(фокусированного ионного пучка), поле сканирования до 5 см, точность до нм, возможно одновременное применение электронного и ионного пучков для исследования объемных образцов методом кросс-секций.

- рентгеновский дифрактометр класса не ниже Bruker Tiger для исследования кристаллической структуры и фазового состава образцов.

профилометр Talystep, профилометр-профилограф с точностью измерения по вертикали до 10 ангстрем.

- Установка Cameca IMS-4f, установка послойного анализа распределения элементов в приповерхностной области методом вторично-ионной масс спектрометрии.

- Оже-спектрометр PHI-660, позволяющий проводить анализ элементного состава поверхности и распределение элементов по глубине с разрешением по глубине менее 3 нм и чувствительностью 0,1-1,0 ат.%.

Данная аппаратура обеспечивает контроль качества поверхности на момент отработки технологии и стабильного выхода на технологические требования.

Производственный блок:

- оборудование для организации чистой комнаты;

- установка для селективного плазменного травления;

- кварцевые печи для проведения термических обработок в интервале температур до 1000°С.

Общая стоимость представленного оборудования составляет порядка млн. руб. Для работы с оборудованием необходимы специалисты с высшим образованием, прошедшие курсы подготовки для работы с диагностической техники, для обеспечения эффективного анализа требуется обеспечить каждый из приборов диагностической цепочки хотя бы одним специалистом т.е в общем числе не менее чем 7 инженеров с дипломами о высшем образовании и с сертификатами о прохождении курсов повышения квалификации по направлениям диагностики наноструктурированных объектов.

Для работы на оборудовании по производству наноструктуированных контактов в соответствии с технологическими требованиями необходимо не менее двух человек с высшим профессиональным образованием на каждую из единиц техники. Таким образом, не менее 6 чел.

Оценка длительности проекта. Требуемые инвестиции Возможности предлагаемых методик по управляемому формированию микроконтактов могут быть расширены за счет модификации конструктивных решений применяемых методов осаждения и оптимизации условий прохождения процессов. Поэтому целесообразно проведение дополнительных научных и конструкторских изысканий по совершенствованию предложенных методов. Для проведения такой работы необходимо 16 млн. рублей сроком на года. В ходе этих работ дополнительно будут проведены дополнительные исследования позволяющие создавать приборы и устройства нового поколения, основанные на наноструктурированных тонких покрытий. Результаты проведенных и планируемых работ представляют интерес для создателей мониторов, солнечных батарей, гибких контактов и т.д.

Для этого будут проведены следующие работы:

Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации по технологии изготовления изделий оптоэлектроники и термоэлектрических преобразователей;

Формулирование направлений решения задач, поставленных в предшествующей НИР, и их сравнительная оценка;

- Выбор и обоснование принятого направления исследований и разработки.

- Сопоставление ожидаемых показателей новой продукции после внедрения результатов ОТР с существующими показателями изделий-аналогов;

- Расчет ориентировочной экономической эффективности от внедрения новой продукции с ожидаемыми показателями ОТР на время разработки, освоения и срока морального старения выпускаемой продукции.

- Разработка требований к качеству материалов;

- Разработка технологического маршрута изготовления наноструктурированных микроконтактов с применением операций лазерного напыления/осаждения;



Pages:     || 2 |


Похожие работы:

«ГОДОВОЙ ОТЧЕТ 2011 ГЕОЛОГОРАЗВЕДКА И ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА В сентябре 2009 г. совет директоров Газпром нефти утвердил стратегию развития Блока разведки и добычи Компании. В соответствии с ней к 2020 г. Газпром нефть намерена увеличить объемы производства углеводородов до 100 млн т н. э. в год. Отношение запасов к добыче будет поддерживаться на этом уровне не менее 20 лет, а доля проектов на начальной стадии разработки к указанному сроку должна обеспечивать не менее 50 % производства. Целевой...»

«КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛИСТ № 1-2 (31-32) зима, весна Казань 2012 Главный редактор Ответственный секретарь Рафаэль Хакимов Алсу Хуснутдинова Дизайн обложки Верстка Миляуша Хасанова Лия Зигангареева Редактор и составитель номера Рафик Абдрахманов Учредитель Автономная некоммерческая организация Казанский центр федерализма и публичной политики Мнения, выраженные авторами статей, не обязательно совпадают с точкой зрения редакции Казанского федералиста Издание осуществляется при финансовой поддержке Фонда...»

«ПРОЕКТНАЯ ДЕКЛАРАЦИЯ от 02 апреля 2012 года по строительству многофункционального жилого комплекса со встроенными помещениями, подземной и надземной автостоянкой, расположенного по адресу: Санкт-Петербург, Невский район, проспект Обуховской Обороны, д. 195, литера А I. Информация о застройщике: 1. Фирменное наименование Полное наименование: Закрытое акционерное общество Мегалит 1 Сокращенное наименование: ЗАО Мегалит 1. Местонахождение Адрес местонахождения в соответствии с Уставом: 2 191123,...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА Ереванский филиал Кафедра Туризма и сервиса ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА на тему: Проект мероприятий по формированию и развитию инфраструктуры страхового рынка Армении (на примере СЗАО “ИНГО АРМЕНИЯ”). по направлению подготовки: Экономика Студент Мхитарян Самвел Артаваздович...»

«МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ УСТАВ СЛУЖБЫ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ (ПРОЕКТ С УЧЕТОМ ЗАМЕЧАНИЙ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ ДЕПАРТАМЕНТОВ МЧС РОССИИ) Москва - 2004 1 Настоящий Устав службы пожарной охраны (далее - Устав) определяет назначение, порядок организации и осуществления службы пожарной охраны в Российской Федерации. Действие Устава распространяется на личный состав Государственной противопожарной службы и...»

«ПРОЕКТ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Утверждн приказом Министерства образования и науки Российской Федерации _ 20 г. Регистрационный номер ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ по направлению подготовки (специальности) Клиническая психология Квалификация (степень) Специалист 2 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Направление подготовки (специальность) Клиническая психология утверждено постановлением Правительства Российской Федерации от №_...»

«Примеры внедрения на российских предприятиях Siemens PLM Software www.siemens.ru/plm NX SOLID EDGE Авиастроение Комплексный подход к внедрению информационных технологий – ключ к повышению эффективности предприятия Системный подход к информационным технологиям – безошибочный выбор стратегии развития Задачи ОАО АвиААгрегАт Обеспечение высокого качества производимой продукции Сокращение цикла раз- ОАО Авиаагрегат - один из веработки и производства дущих в России производителей изделий авиационной...»

«МЕЖОТРАСЛЕВОЙ КАТАЛОГ ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ-2012 Межотраслевой каталог для специалистов промышленных предприятий поможет найти актуальную информацию о ведущих производителях экологического оборудования, ООО ИНТЕХЭКО проектных и инжиниринговых компаниях, имеющих www.intecheco.ru реальный опыт решения различных экологических задач в промышленности, газоочистки, пылеулавливания, водоподготовки и водоочистки, переработки отходов, экологического мониторинга и охраны окружающей среды. МЕЖОТРАСЛЕВОЙ...»

«МОРСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ Н.Ю. Бугакова доктор педагогических наук профессор первый проректор КГТУ [email protected] Особенности управления проектами в судоремонте в современных условиях Рассматриваются особенности управления проектами в судоремонте в современных условиях Ключевые слова: управление проектами в судоремонте; судоремонтная база страны; судоремонтное предприятие; жизненный цикл проекта; анализ и планирование технико-экономических показателей судоремонтного производства В современных...»

«Заключение на отчет об исполнении бюджета Грузинского сельского поселения за 2011 год Заключение на отчет об исполнении бюджета Грузинского сельского поселения за 2011 год (далее – заключение) подготовлено в соответствии с Бюджетным кодексом Российской Федерации, решением Думы Чудовского муниципального района от 29.11.2011 № 110 О Контрольно – счетной палате Чудовского муниципального района, Соглашением о передаче полномочий по осуществлению внешнего муниципального финансового контроля от 17...»

«Клинический протокол лечения детей с ВИЧ/СПИДом ИНСТРУКЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ Минск 2005 Клинический протокол лечения детей с ВИЧ/СПИДом УДК 616.9-053.2-08 ББК 55.14 К49 Рецензенты: ректор Учреждения образования Гомельский государственный медицинский университет, д-р мед. наук, проф. Жаворонок С.В., заведующий кафедрой инфекционных болезней Учреждения образования Витебский государственный медицинский университет д-р мед. наук, проф.Семёнов В.М. Ключарева А.А., Астапов А.А., Петрович И.В.,...»

«ISSN 2312-2048 ВЕСТНИК МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА Периодический научный журнал №1 2014 Вестник молодых ученых Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна № 1’ 2014 Журнал публикует работы студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященные проблемам науки и техники. Учредитель и издатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский...»

«Посвящается 35-летию Волжского автозавода В.Котляров ВИЖУ ЦЕЛЬ записки командора Тольятти 2001 Предисловие автора Эта книга о людях, мало известных широкому кругу публики (хотя в кругу специалистов их имена порой говорят о многом). О тех, кто испытывает и доводит до ума автомобильную технику. А командором на сленге испытателей принято называть руководителя выездных испытаний (в народе именуемых автопробегами), проводимых в разных регионах страны, а то и за её пределами. Как правило, им является...»

«1 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА факультет сервисных технологий Кафедра управления персоналом и государственного и муниципального управления ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ на тему:Совершенствование деятельности органов муниципального управления по формированию и реализации молодежной политики (на примере г.о. Подольск Московской...»

«ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 3 ФИЗИКА. ХИМИЯ 2012. Вып. 2 Физика и химия наноматериалов УДК 378.22(045) Н.В. Семакина, В.И. Кодолов, М.А. Плетнев ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ ВЫСОКОКВАЛИФИЦИРОВАННЫХ КАДРОВ ДЛЯ НАНОИНДУСТРИИ В УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ Рассматриваются состояние и перспективы развития нанообразования в Удмуртской Республике с целью подготовки высококвалифицированных кадров для наноиндустрии. Ключевые слова: нанотехнологии, образование, наноиндустрия, наноматериалы, научно-образовательный...»

«НД ТК 23– 001 – 2014 ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ КОМИТЕТЕ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ НД ТК 23– 001 – 2014 ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ КОМИТЕТЕ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ 2 НД ТК 23– 001 – 2014 ПОЛОЖЕНИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ КОМИТЕТЕ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ Содержание Содержание 1. Общие положения 2. Задачи технического комитета 3. Область деятельности технического комитета 4. Структура технического комитета 5. Члены технического комитета 6. Председатель технического комитета 7. Секретариат технического комитета 8. Управляющий...»

«Проведенный по предлагаемой схеме предпроектный анализ помогает выявить существенные черты и свойства объекта рекламы, обрисовать пространство его существования в реальности. Все это вместе взятое способно выступить в качестве катализатора возникновения образно-художественных конструкций. В рассмотренном случае реализуется методическая рекомендация, известная в практике технического изобретательства: искать решение вокруг проблемы, включая в работу мысленное периферическое зрение. В итоге,...»

«Curatio Sine Distantia! А.В.Владзимирский ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕЛЕМЕДИЦИНЫ ДОНЕЦК – 2007 ББК 53.49+76.32 УДК 61:621.397.13/.398 ISBN Рецензенты: В.Г.Климовицкий, д.мед.н., профессор, директор НИИ травматологии и ортопедии Донецкого государственного медицинского университета им.М.Горького, главный врач Донецкой областной клинической травматологической больницы Ю.Е.Лях, д.мед.н., профессор, зав.каф. медицинской биофизики, медаппаратуры и клинической информатики Донецкого государственного...»

«2014г. Уважаемые друзья! Мы рады предложить Вам знакомство с одним из крупнейших областных центров Украины, городом корабелов, портовиков и машиностроителей, городом студенчества, городом невест. Своим трудом и продукцией своих предприятий, качеством преподавания, выдающимися интеллектуальными и научно-техническими достижениями, талантами хозяйственников или предпринимателей тысячи николаевцев берегут и укрепляют авторитет нашего города. Многим бизнесменам и правительствам всего мира знакомы...»

«258 Иванов А. Н. Учитель русского языка и литературы ОТКРЫТЫЙ УРОК ЛИТЕРАТУРЫ В 10 КЛАССЕ ПО РОМАНУ И.С. ТУРГЕНЕВА ОТЦЫ И ДЕТИ Тема: Испытание любовью. (Проблема человеческих ценностей в романе И.С.Тургенева Отцы и дети) Цель урока: Раскрыть суть отношений героев, понять, что хотел сказать автор, испытывая героя любовью к женщине. Некоммерческое образовательное учреждение Центр образования Школа Здоровья “САМСОН” тел. (495) 730-5090, (499) 618-6696 259 Развивающие цели: умение высказывать и...»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.