УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Полезная модель относится к нанотехнологии и наноструктурам, в частности, к устройству для получения углеродных нанотрубок и может быть использовано для техники, медицины и энергетики.
Известно устройство для получения углеродных нанотрубок, содержащее реакционную камеру, размещенный в ней подложкодержатель, основной источник лазерного излучения для выращивания нанотрубок, систему подачи реакционной газовой смеси в камеру и систему вакуумирования камеры (RU 2305065 C2, B82B 3/00, 27.08.2007) /прототип/.
К недостаткам устройства относится необходимость использования большого количества технологического оборудования с целью предварительного шаблонного нанесения каталитического слоя на поверхность подложки, а также последующей термической обработки нанотрубок для придания им высокой вертикальной ориентированности для повышения электрофизических свойств, приводящие к высокой стоимости конечного изделия.
Задачей создания полезной модели является повышение надежности изделий, содержащих углеродные нанотрубки, обеспечение получения технологического рисунка углеродных нанотрубок на поверхности изделия без использования масок или шаблонов, непосредственно во время роста нанострубок.
Для этого устройство для получения углеродных нанотрубок содержит реакционную камеру, размещенный в ней подложкодержатель, основной источник лазерного излучения для выращивания нанотрубок, систему подачи реакционной газовой смеси в камеру и откачную вакуумную систему, при этом оно снабжено держателем мишени из материала катализатора, дополнительным источником лазерного излучения для создания на подложке каталитического слоя в виде капель из материала мишени и сканатором для перемещения луча основного источника лазерного излучения для выращивания нанотрубок по заданному рисунку.
На фиг.1 представлено заявленное устройство в процессе получения каталитического слоя, на фиг.2 - устройство в процессе лазерного выращивании нанотрубок, на фиг.3 - подложка с выращенными на ней лазерным излучением нанотрубками.
Устройство для получения углеродных нанотрубок содержит подложкодержатель 1, нагреватель 2, подложку 3 с рабочей поверхностью, дополнительный источник лазерного излучения (на фигурах не показан) лазерного луча 5, реакционную камеру 13 с входным окном 6 для лазерного луча, мишень 8, держатель мишени 9, систему подачи реакционной газовой смеси 11 в реакционную камеру 13, откачную вакуумную систему 10, основной источник лазерного излучения (не показан) лазерного луча 14 для выращивании нанотрубок 12 и сканатор (на фигурах не показан) для отклонения лазерного луча 14 основного источника лазерного излучения при наращивании нанотрубок по заданной траектории.
Принцип действия устройства для получения углеродных нанотрубок.
-2
Сначала осуществляют нанесение слоя катализатора на рабочую поверхность подложки 3. Каталитический слой из осажденных капель катализатора 4 создают лазерным осаждением воздействием лазерного луча 5 от импульсного дополнительного источника лазерного излучения перед процессом выращивания нанотрубок. Для этого в камеру 13 посредством держателя 9 устанавливают мишень 8 из материала требуемого катализатора. Также на подложке держатель 1 устанавливают подложку 3, на поверхности которой будет создаваться каталитический слой и выращиваться нанотрубки. Реакционная камера 13 откачивается посредством откачной вакуумной системы 10 и создается вакуум не хуже 10 торр. Производят лазерную абляцию материала мишени 8 лазерным лучом 5 дополнительного источника коротковолнового (157-351 нм) импульсного лазерного излучения и осаждение продуктов разлета 7 испаренного материала мишени 8 в виде капель 4 каталитических частиц на поверхности подложки 3.
Далее осуществляют выращивание нанотрубок 12. Лазерный луч 14 основного источника излучения (длина волны 1.064-10.6 мкм) необходимого профиля фокусируют на поверхности подложки 3 с нанесенным слоем капель 4 катализатора. Область материала под воздействием лазерного луча 14 нагревается, приводя к расплавлению капель катализатора, термическому разложению прекурсора углерода и поглощению углерода жидкой фазой катализатора с дальнейшим образованием пересыщенного раствора углерода в капле катализатора и ростом углеродной нанотрубки 12. Лазерный луч 14 основного источника лазерного излучения отклоняют с помощью специального устройства - сканатора (на фигурах не показан) по требуемой траектории. Лазерным лучом 14 засвечивают только те участки поверхности подложки 3, на которых требуется рост углеродных нанотрубок 12. Воздействуя на участки роста нанотрубок 12 лазерным лучом 14 одновременно происходит термическая обработка, приводящая к вертикальной ориентации нанотрубок 12.
В результате получают углеродные нанотрубки высокого качества за счет высокой вертикальной ориентированности.
Устройство позволяет формировать нанотрубки непосредственно на поверхности изделия без использования масок, сепарации и переноса нанотрубок. Высокая скорость отклонения лазерного излучения по заданной траектории с помощью сканатора (до 10 м/с), а также отсутствие дополнительных технологических этапов масочной технологии, сепарации и термообработки приводит к повышению производительности процесса роста углеродных нанотрубок.
Пример.
-6
2
-2
6
2
На очищенную поверхность монокристаллической кремниевой пластины p-типа толщиной 525 мкм в реакционной камере с давлением 10 торр, температурой нагревателя подложки 150 градусов, с помощью эксимерного KrF-лазера длиной волны 248 нм, длительностью импульса 30 нс, энергией 1.5 Дж/см в течение 11 минут наносится каталитический слой 2,5% Fe/Al2O3 из капель катализатора характерным размером 6 нм и отклонением от данного размера не более 10%. Далее давление в камере увеличивается до 10 торр и в камеру подается 15% газовая смесь ацитилена и аргона. Требуемый технологический рисунок перерабатывается в программный код устройства отклонения луча (сканатора). С помощью CO лазера мощностью излучателя 100 Вт длиной волны 10.6 мкм лазерного излучения энергией 2.8*10 Вт/см поверхность изделия обрабатывается по заданной геометрии отклонения луча в течение 55 минут. Средний диаметр выращенных нанотрубок составляет 5 нм с погрешностью 7% высота 50 нм с отклонением не хуже 15% и высокой вертикальной ориентированностью.