Способ формирования нано(микро)систем из углеродных нанотрубок

Изобретение относится к способам формирования наномикросистем, содержащих углеродные нанотрубки. Способ формирования нано-(микро-) систем из углеродных нанотрубок, располагаемых по заданному рисунку, заключается в нанесении на подложку многослойного покрытия, содержащего каталитический слой. На каталитический слой наносят углеродный слой наноразмерной толщины, после чего выполнение по каталитическому слою заданного рисунка осуществляют путем помещения образца в рабочую камеру с окислительной средой, стабилизирования ее состава одним из известных способов, расположения над образцом зонда с наноразмерным острием с образованием туннельно-прозрачной системы зонд/образец и оказывания на указанную систему электрического воздействия постоянной либо импульсной моды, посредством подачи на нее разности потенциалов либо пропускания через нее заданного тока, при этом контролируют процесс локального окисления углеродного слоя вплоть до вскрытия каталитического слоя соответственно по току и его производной - для потенциального режима и по напряжению и его производной - для токового режима, а после этого образец помещают в ростовую камеру, нагреваемую до температуры ˜350...600°С в присутствии газов-реагентов и ВЧ либо СВЧ-излучения. Способ позволяет при формировании наномикросистем располагать одиночные углеродные нанотрубки по заданному рисунку.

 

Изобретение относится к способам формирования наномикросистем, содержащих углеродные нанотрубки (УНТ). Области возможного использования углеродных нанотрубок: автоэмиттеры для плоских экранов и вакуумных микрорадиоламп, нанорезонаторы, нанопереключатели, экономичные источники света и др.

Для формирования большинства наномикросистем крайне необходимо использование процедур и способов, позволяющих располагать одиночные углеродные нанотрубки по заданному рисунку. В частности, известен способ формирования микросистем с заданным расположением одиночных углеродных нанотрубок, заключающийся в их гибридной сборке, посредством использования нанопинцетов [1]. Способ заключается в получении композитных материалов, содержащих фракции из углеродных нанотрубок, фуллеренов и аморфных углеродных фаз каким-либо из известных методов, например в дуговом разряде, выделении углеродных нанотрубок из перечисленных фракций одним из известных методов, «захвате» нанопинцетом выбранной углеродной нанотрубки и ее фиксации, например, за счет сил Ван-дер-Ваальса, в нужной области образца подложки. Способ позволяет получать ряд наносистем, например нанотранзисторы, нанодиоды, однако является трудоемким и дорогим, имеет много технологических и функциональных ограничений и не пригоден для конструирования подавляющего большинства наномикросистем.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования наномикросистем из массивов углеродных нанотрубок посредством их выращивания CVD методом на образцах с рисунками из каталитических покрытий, например никель, кадмий, железо [2]. Совокупность процедур формирования углеродных нанотрубок в способе-прототипе заключаются в нанесении на поверхность образца пленочных покрытий, включающих каталитическую пленку, последующем формировании микроэлектронными технологиями (например, с помощью электронной либо фотолитографий) на каталитической пленке необходимого рисунка, помещении образца в ростовую камеру и нагреве его до температуры, типичной для процессов роста углеродных нанотрубок (˜350...600°С), последующей подаче в ростовую камеру газов-реагентов и ВЧ либо СВЧ-излучения, активирующего процессы образования из упомянутых реагентов плазмы. Способ-прототип позволяет получать массивы из углеродных нанотрубок с вертикальной и горизонтальной ориентацией трубок относительно плоскости пластины [2-3] и по заданному рисунку с микронной размерной шкалой, но не подходит для получения одиночных углеродных нанотрубок и наномикросистем на их основе. Способ-прототип позволяет получать массивы из углеродных нанотрубок для катодов осветителей и индикаторов, но не пригоден для решения задач, требующих расположения по заданному рисунку одиночных нанотрубок. К таковым относятся, например, задачи, связанные с получением запоминающих сред и считывателей для терабитных ЗУ, нанопереключателей и нанорезонаторов на основе углеродных нанотрубок.

Целью изобретения является разработка эффективного способа, позволяющего при формировании наномикросистем располагать одиночные углеродные нанотрубки по заданному рисунку.

Цель изобретения достигается тем, что в способе формирования нано-(микро-) систем из углеродных нанотрубок, располагаемых по заданному рисунку, заключающемся в нанесении на подложку многослойного покрытия, содержащего каталитический слой, выполнении по нему заданного рисунка и помещении образца в ростовую камеру, нагреваемую до температуры ˜350...600°С в присутствии газов-реагентов и ВЧ либо СВЧ-излучения, вводят следующие отличительные признаки: на каталитический слой в упомянутом многослойном пленочном покрытии наносят углеродный слой наноразмерной толщины, а выполнение по каталитическому слою заданного рисунка осуществляют путем помещения образца в рабочую камеру с окислительной средой, стабилизирования ее состава одним из известных способов, расположения над образцом зонда с наноразмерным острием с образованием туннельно-прозрачной системы зонд/образец и оказывания на указанную систему электрического воздействия постоянной либо импульсной моды, посредством подачи на нее разности потенциалов либо пропускания через нее заданного тока, при этом контролируют процесс локального окисления углеродного слоя вплоть до вскрытия каталитического слоя соответственно по току и его производной - для потенциального режима и по напряжению и его производной - для токового режима, а после этого образец помещают в ростовую камеру.

Положительный эффект в заявляемом способе достигается тем, что электрическое воздействие, приводя к локальному окислению углеродного слоя в окрестности острия в присутствии окислительной среды, в силу летучести продуктов окисления углеродной пленки (окись либо двуокись углерода) приводит к образованию в ней наноразмерных каналов, простирающихся вплоть до каталитической пленки. На открывшихся таким образом наноразмерных площадках каталитической поверхности, располагаемых по задаваемому рисунку, в ростовой камере в известных режимах вырастают одиночно расположенные углеродные нанотрубки.

Пример получения одиночно расположенных углеродных нанотрубок по заданному рисунку.

На подготовленную известными методами (отмывка в органических растворителях, например бензоле либо изопропиловом спирте, и последующая обработка в кислородно-аргонной плазме) к напылению поверхность образца наносим (например, методом магнетронного напыления) трехслойное пленочное покрытие: титан/никель/тетраэдрический аморфный углерод с толщинами слоев соответственно 30 нм/20 нм/10 нм. Известными методами (например, фотолитография и электронная литография с последующим ICP-травлением перечисленных слоев) выполняем заданный рисунок по нанесенному покрытию. (В частности, при изготовлении считывателя информации с терабитных запоминающих сред, выполненных на основе УНТ, указанный рисунок может представлять собой набор параллельных полос-шин). Помещаем образец в рабочую камеру зондового литографического устройства, работающего по проточной системе, и на гальванически связанную туннельно-прозрачную систему сканирующий зонд/образец, в областях расположения рисунка из пленочного покрытия, оказываем токовое (˜0,05...1,0 мкА) либо потенциальное (˜1...10 В) воздействие. Временной интервал воздействия (постоянного во времени либо импульсного, например, с длительностью импульсов 0,1...10,0 мкс и периодом их следования 100 мкс) определяется толщиной углеродной пленки, величиной напряжения либо тока, параметрами окислительной среды (влажность, концентрация ионов газа-реагента и температура) и амплитудными параметрами электрических воздействий: для углеродных аморфных пленок толщиной ˜100 А, при постоянном напряжении ˜10 В и влажности ˜80% время воздействия составляет ˜10 секунд; при работе в импульсной токовой моде, при амплитуде тока 1 мкА, длительности импульсов 1 мкс и периоде их следования 50 мкс длительность обработки в точке составит 1 мс. Процесс образования в углеродном слое отверстий наноразмерного диаметра контролируем по изменениям тока и его производной - для потенциального режима электрического воздействия на образец и по изменению напряжения и его производной - при токовой моде электрического воздействия. Далее помещают образец в ростовую камеру CVD установки, производят откачку (эвакуацию) из системы атмосферы до остаточного давления 10^-6 мм рт.ст., нагревают (в зависимости от требований к параметрам для получаемых нанотрубок) образец до температуры ˜530°С...650°С и подают в камеру роста СВЧ-излучение мощностью ˜0,5...1,0 кВт. Через временной интервал ˜5...20 минут выключают СВЧ-активацию процессов роста и нагрев образца, напускают атмосферный газ в камеру и извлекают из нее образец с выращенными одиночно расположенными трубками в полученных по заданному рисунку на стадии локального окисления наноразмерных отверстиях.

Предложенный способ получения одиночно расположенных углеродных нанотрубок открывает широкие возможности получения наномикросистем. В частности, открываются возможности разработки и изготовления таких наномикросистем, как: запоминающие среды терабитной емкости, считывающие устройства для терабитных ЗУ, наноразмерные коммутаторы и нанорезисторы на диапазон частот вплоть до 5 ГГц и т.д.

Литература

1. Yoshikaru Nakayams and Seiji Akita. «Nanoenginering of carbon nanotubes for nanotools». // New journal of Physics 5 (2003), p.128.1-128.22.

2. Huczko A. // Appl.Phys. 2002. A 74. P.617-638 (прототип).

3. С.А.Гаврилов, Э.А.Ильичев, Э.А.Полторацкий и др. Письма в ЖТФ, 2004, том 30, вып.11, с.48-53.

Способ формирования нано(микро)систем из углеродных нанотрубок, располагаемых по заданному рисунку, заключающийся в нанесении на подложку многослойного покрытия, содержащего каталитический слой, выполнении по нему заданного рисунка и помещении полученного образца в ростовую камеру, нагреваемую до температуры 350...600°С в присутствии газов-реагентов и ВЧ- либо СВЧ-излучения, отличающийся тем, что на каталитический слой в упомянутом многослойном пленочном покрытии наносят углеродный слой наноразмерной толщины, а выполнение по каталитическому слою заданного рисунка осуществляют путем помещения образца в рабочую камеру с окислительной средой, стабилизирования ее состава одним из известных способов, расположения над образцом зонда с наноразмерным острием с образованием туннельно-прозрачной системы зонд/образец и оказывания на указанную систему электрического воздействия постоянной либо импульсной моды посредством подачи на нее разности потенциалов либо пропускания через нее заданного тока, при этом контролируют процесс локального окисления углеродного слоя вплоть до каталитического слоя соответственно по току и его производной - для потенциального режима и по напряжению и его производной - для токового режима, а после этого образец помещают в ростовую камеру.