СПОСОБ ПЕРЕНОСА НИТЕВИДНЫХ НАНОКРИСТАЛЛОВ НА ПОДЛОЖКУ
METHOD FOR TRANSFER OF THREADED NANOCRYSTALS TO SUBSTRATE

Изобретение относится к технологии формирования наноструктурированных покрытий и может быть использовано для создания сенсоров, электронных устройств, катализаторов.
Известно, что газовые сенсоры на основе нитевидных нанокристаллов (ННК) демонстрируют высокую газочувствительность при крайне низких концентрациях детектируемого газа. Это, в первую очередь, можно связать с большим отношением площади поверхности к объему нанообъектов. Несмотря на очевидные преимущества использования нитевидных кристаллов их применение в сенсорах ограниченно трудностями сопряжения нанообъектов с подложкой для измерения их электрофизических характеристик.
Одним из наиболее простых способов создания ННК из оксидов металлов является метод физического осаждения из парогазовой фазы. В этом методе прекурсор испаряется в трубчатой печи и переносится газом носителем в область осаждения. В области осаждения происходит рост ННК. Для создания сенсора на основе полученных ННК их необходимо перенести на контактную систему так, чтобы происходило протекание тока между контактами сенсора через ННК.
Известен способ переноса электропроводящего материала на подложку для печати (см. патент РФ №2617703, МПК H05K 3/10, опубл. 26.04.2017). Способ заключается в том, что подложку предварительно нагревают до первой температуры, и из электропроводящего материала получают текучий электропроводящий материал. Текучий электропроводящий материал распыляют на предварительно нагретую подложку с образованием схемы заданного вида. Подложку, на которую распылен текучий электропроводящий материал, охлаждают до третьей температуры, которая ниже температуры плавления электропроводящего материала.
Указанный способ не подходит для переноса нанообъектов из оксидов металлов.
2
Кроме того, известен способ механического переноса графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) на меди, на полимерные материалы (см. патент РФ №2688628, МПК C01B 32/00, опубл. 21.05.2019). Способ переноса графена с меди на полимерный материал включает размещение композита графен/металлическая подложка/графен между двумя слоями полимера, горячее прессование слоев полимера при давлении 0,1-0,3 кгс/см и температуре 181-190°С с выдержкой 10 минут, с получением композита полимер/графен/металлическая подложка\графен\полимер. Охлаждение полученного композита до комнатной температуры. Механический перенос композита полимер/графен с металлической подложки со стабилизацией композита полимер/графен/металлическая подложка между двумя жесткими подложками.
Недостатком раскрытого способа переноса для нитевидных нанокристаллов является возможность загрязнения при переносе.
Также известен способ образования на подложке упорядоченного массива наноразмерных сфероидов (см. патент РФ №2444084, МПК H01L 21/268, опубл. 27.02.2012), заключающийся в переносе вещества пленки, нанесенной на поверхность прозрачной пластины-донора, на акцепторную подложку путем импульсного лазерного облучения пленки сквозь пластину, при этом между упомянутой пленкой и пластиной наносят жертвенный подслой, который при упомянутом облучении испаряется.
Недостатком данного метода является загрязнение ННК материалом жертвенного слоя.
Кроме того, известен способ получения тонких пленок на основе углеродных наноматериалов на границе раздела фаз жидкость/газ (см. патент РФ №2648920, МПК C01B 32/168, опуб. 28.03.2018). Сначала готовят суспензию, содержащую этиленгликоль в качестве жидкой дисперсионной среды и углеродный наноматериал, например графен, оксид графена, восстановленный оксид графена, однослойные углеродные нанотрубки, двухслойные углеродные нанотрубки, многослойные углеродные нанотрубки или их смеси, и обрабатывают ее ультразвуком. Затем суспензию нагревают до 95°С. В нагретую суспензию по каплям добавляют органический растворитель с температурой кипения ниже этиленгликоля, например этанол, изопропанол, ацетон. Высота падения капли составляет 1-15 мм, объемное соотношение органического растворителя и суспензии составляет от 1/2 до 7/1. Тонкую пленку углеродного наноматериала, образованную на поверхности жидкой дисперсионной среды, отделяют, переносят на подложку и сушат. Изобретение позволяет получить однородные и плотные тонкие пленки на основе углеродных наноматериалов и увеличить их поверхностное сопротивление.
Недостатком раскрытого способа переноса является потеря большого количества переносимого материала за счет адсорбции нанообъектов на стенках сосудов, пипетке и т.п.
2
Наиболее близким является способ переноса одномерных нанообъектов, раскрытый в статье Hwang I.S., Choi J.K., Kim S.J., Dong K.Y., Kwon J.H., Ju B.K., Lee J.H. Enhanced H2S sensing characteristics of SnO2 nanowires functionalized with CuO, Sensors and Actuators B: Chemical. 2009. Т. 142. №.1. Способ заключается в переносе выращенных нитевидных нанокристаллов SnO2, путем диспергирования в смеси деионизированной воды и изопропилового спирта (5 мл: 5 мл) в ультразвуке. После каплю суспензии, содержащей ННК SnO (10 мл), наносят на подложку при помощи микропипетки и сушат.
Недостатком способа переноса является потеря большого количества переносимого материала за счет адсорбции нанообъектов на стенках сосудов, пипетке и т.п.
Таким образом, известные способы переноса не позволяют переносить одномерные нанообъекты без потерь и загрязнений.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в разработке эффективного способа переноса нитевидных нанокристаллов на подложку без потерь и загрязнений.
Техническим результатом является повышение коэффициента переноса по массе (уменьшение потерь) нанообъектов при переносе их на контактную систему и снижение степени их загрязнения.
Технический результат достигается тем, что в способе переноса нитевидных нанокристаллов с исходной подложки на целевую подложку при помощи капли жидкости поверхность исходной подложки предварительно охлаждают ниже температуры замерзания жидкости, после чего наносят каплю жидкости, переносят замороженную каплю на целевую подложку и нагревают до полного испарения жидкости.
Целевая подложка может быть выполнена из диэлектрического материала и снабжена проводящими контактами. Для эффективной локализации области переноса на целевую подложку накладывают маску из несмачиваемого жидкостью материала.
На чертеже представлен схематичный вид переноса нитевидных нанокристаллов.
2
3
Позициями обозначено: 1 - капля дистиллированной воды; 2 - нитевидные нанокристаллы; 3 - подложка Si; 5 - металлические контакты; 6 - подложка AlO.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом: сначала на исходную подложку, например кремневую, с выращенными на ней нитевидными нанокристаллами помещают заданный объем жидкости (дистиллированной воды, смеси дистилированной воды со спиртом) и проводят ее замораживание (кристаллизацию). Затем полученный твердый композит, содержащий ННК, отрывают от подложки и переносят на целевую подложку.
В случае использования ННК для создания сенсоров в качестве целевой подложки может быть использована подложка, представляющая собой пластину из диэлектрического материала с нанесенными на нее проводящими слоями, выполняющими функцию электрических контактов.
Для локализации области переноса ННК на поверхности целевой подложки размещают маску из несмачиваемого жидкостью материала, например, фторопласта. После этого осуществляют удаление жидкости нагревом.
Пример.
2
3
Нитевидные нанокристаллы диоксида олова выращивают в высокотемпературной печи (SNOL 0.2 / 1250), оснащенной кварцевой трубкой с внутренним диаметром 20 мм и длиной 0,8 м. Лодочку с оксидом олова (II) 0,5 г помещают в центр печи при температуре около 1000°С в потоке аргона 100 мл/мин и кислорода 0,5 мл/мин, время синтеза составляло 1 час. Процесс роста проводят в вакууме при давлении газовой смеси 100 мбар на кремниевых подложках в температурной зоне около 980°С. Затем исходную кремниевую подложку размером 5×10 мм с выращенными ННК помещают на элемент Пельтье SP1848 и охлаждают до -50°С. После в пипетку-дозатор набирают дистиллированной воды и наносят каплю на охлажденную подложку с выращенными нитевидными нанокристаллами. В результате ННК оказываются зафиксированными в замороженной капле воды. Перенос осуществляют на целевую поликоровую пластину AlO размером 5×10 мм с двумя металлическими контактами. Для локализации осаждения ННК между контактами на подложку накладывают фторопластовую маску. Замороженную каплю отрывают от исходной подложки, например, пинцетом, переносят на целевую подложку с наложенной маской и нагревают до полного испарения воды. Процедуру повторяют до достижения необходимого количества ННК на целевой подложке. После маску снимают с целевой подложки.
Таким образом, поскольку предлагаемый способ исключает осаждение ННК на стенках вспомогательной оснастки, это приводит к исключению потерь ННК. Способ не включает механического взаимодействия ННК со вспомогательным инструментом, что позволяет избежать дополнительного загрязнения.