Метод получения тонких пленок, осаждение на подложку

Осаждением на холодную или подогретую поверхность подложки получают пленки и покрытия, т. е. непрерывные слои нанокристаплического материала. В этом способе, в отличие от газофазного синтеза, образование наночастиц происходит непосредственно на поверхности подложки, а не в объеме инертного газа вблизи охлажденной стенки. Благодаря получению компактного слоя нанокристаллического материала отпадает необходимость прессования.

Осаждение на подложку может происходить из паров, плазмы или коллоидного раствора. При осаждении из паров металл испаряется в вакууме в кислородили азотсодержащей среде, а пары металла или образовавшегося соединения конденсируются на подложке.

Размер кристаллов в пленке регулируют, изменяя скорость испарения и температуру подложки.

При осаждении металлов из плазмы для поддержания электрического разряда используют инертный газ. Непрерывность и толщину пленки, размеры кристаллов в ней регулируют, измененяя давление газа и параметры разряда. Источниками металлических ионов при осаждении из плазмы служат металлические катоды, обеспечивающие высокую степень ионизации.

Разновидностью осаждения из плазмы является магнетронное распыление, позволяющее использовать катоды не только из металлов и сплавов, но и из различных соединений и снижать температуру подложки до 100 К и ниже. Это расширяет возможности получения аморфных пленок и нанокристаллических пленок. Однако степень ионизации, кинетическая энергия ионов и скорость осаждения при магнетронном распылении ниже, чем при использовании плазмодугового разряда.

Оксидные полупроводниковые пленки получают осаждением на подложку из коллоидных растворов. Этот метод включает в себя подготовку растворов, осаждение на подложку, сушку и отжиг. Методом осаждения наночастиц получены полупроводниковые пленки ZnO, Sn0₂, Ti0₂, W0₃. Наноструктурные пленки, содержащие частицы различных полупроводников, можно получать методом соосаждения.

В 1985 г. была обнаружена молекула углерода в форме полого шарика, состоящая из 60 атомов, и в настоящее время материаловеды с ней связывают большие надежды. Такая молекула получила название фуллерен и является родоначальником целого класса новых наноструктур. Фуллерен (Сад) — чрезвычайно прочная и устойчивая молекула, атомы углерода связаны в ней прочнее, чем в решетке алмаза. Если в фуллерен вставить поясок из десяти атомов, то получится новая молекула — бареллен (С₇о). Строительство молекул можно продолжать, получая все новые вещества, например, в виде трубок — тубелен (Сюоо) — Из тубеленов можно собирать объемные углеродные молекулы самых причудливых форм, например шварцшит.

Область применения нового материала весьма обширна. Из нанотрубок, собранных в пучок, получается пористый материал для изготовления мембран, размер пор которого можно регулировать, изменяя условия роста трубок. Если такой материал соединить с длинными молекулами полимера или цепочками атомов металла, то образуются композиты с заранее заданными свойствами. При соединении нанотрубок боковыми поверхностями половина связей между ними будет такая, как у алмаза, а половина — как у графита. Получится гибкий материал, прочность которого лишь на треть ниже, чем у алмаза. Он может служить в виде покрытия для деталей, работающих в условиях трения.

Если металлом или полимером залить решетку шварцшита, образуется чрезвычайно прочный аналог железобетона, в котором роль стальной арматуры играют нанотрубки.

Шварцшит может найти применение в наноэлектронике. Если в молекуле углерода часть атомов заменить на атомы других элементов, то она приобретет свойства изолятора, проводника или полупроводника. Молекулы в форме кольца могут быть использованы в качестве элемента памяти наноЭВМ. Тубелен способен играть роль магнитной катушки. Ток может проходить в ней не по всей поверхности, а только по спирали, подобно проводу в соленоиде. Из подобных элементов можно выращивать электронные схемы нанометровых размеров, обладающих большими возможностями.

В настоящее время нанотрубки производят в промышленных масштабах в качестве сырья для производства композитов, а шарики-фуллерены оказались прекрасными каркасами для смазки, способными выдерживать высокую температуру.

В начале 1990;х гг. российскими учеными получены первые образцы нового вещества — фуллерита, представляющие собой кристаллы размером 5…6 мм; их грани царапают алмаз также легко, как алмаз стекло. Существуют два варианта «упаковки» молекул в кристалле фуллерита: в первом ячейки повторяют форму тетраэдра, во втором — имеют форму куба с отдельным фуллереном внутри. Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в решетке алмаза. В ячейках обоих видов есть особый фуллерен, взаимодействующий с остальными через 16 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Это определяет необычайную твердость кристаллического фуллерита: он в 3 раза тверже алмаза.

Из такого материала можно изготавливать режущие инструменты для бурения скважин, обработки высоколегированных сталей, керамических материалов, алмазов, изготовления приборов для определения твердости материалов, создания высокопрочных покрытий и др.

Создание нанотрубных материалов является началом новой научно-технической революции, в которой углероду отводится решающая роль.

Контрольные вопросы

• 1. Какие материалы относят к наноструктурным?
• 2. Назовите методы получения наноструктурных материалов.
• 3. Для чего и как осуществляют газовую конденсацию порошков и их консолидацию?
• 4. Как осуществляют шаровой размол материала?
• 5. Какие виды мельниц применяют для размола материалов?
• 6. Как и зачем осуществляется плазмохимический синтез?
• 7. В чем заключается сущность осаждения порошков из коллоидных растворов?
• 8. Как осуществляют механосинтез?
• 9. В чем заключается метод получения порошков электровзрывом?
• 10. Назовите методы получения тонких пленок.