Способ получения углеродной пленки



Способ получения углеродной пленки
Способ получения углеродной пленки
Способ получения углеродной пленки

Владельцы патента RU 2652206:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковой и сверхпроводниковой электронике и может быть использовано при изготовлении фотонных устройств, сверхъёмких аккумуляторов и суперконденсаторов, высокочувствительных химических сенсоров и разделительных мембран. Углеродсодержащий материал - природный минерал шунгит с размером частиц 0,01-1 мкм помещают в зону испарения 1 термокамеры. Испаритель нагревают до температуры возгонки 350-400°С. Затем повышают температуру до 750°С со скоростью 3-5°С/мин. Дополнительно создают зоны формовки 2 и термостабилизации 5, разделенные подложкой 3, расположенной в зоне конденсации 4. Температуру зоны испарения 1 устанавливают большей, чем температура зоны формовки 2, а температуру зоны термостабилизации 5 - меньше температуры зоны формовки 2. В результате конденсации в вакууме углерода на предварительно нагретую подложку 3 получают углеродную пленку, однородную по составу, размером 1 мм и более и толщиной 0,1 мкм и более при снижении энергоемкости процесса. 4 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковой и сверхпроводниковой электронике, преимущественно к способам изготовления функциональных устройств пленочной наноэлектроники на основе природного углерода.

Известен способ получения пленок на основе углерода, заключающийся в испарении углерода через расплавленную ванну, для чего на поверхности графитового стержня расплавляют навеску из вольфрама или молибдена, до образования расплавленной ванны. Наличие расплава обеспечивает получение интенсивного и равномерного парового потока углерода. Вследствие конвективного перемешивания расплав имеет практически одинаковую температуру по всему объему, что в сочетании с высокими эмиссионными свойствами расплава способствует поддержанию равномерно распределенного сильноточного дугового разряда без катодных микропятен и получению плотного и равномерного потока высокоионизированной плазмы. В результате получают конденсированный материал в виде пленки на основе углерода (Авторское свидетельство СССР, №1710596, опубл. 07.02.1992 г.).

Однако данный способ является технологически сложным и энергоемким, требующим дополнительных затрат на получение графитовых стержней и использование W и Мо.

Известен способ получения кристаллических фуллеренов, включающий возгонку фуллеренов путем их нагревания в зоне испарения до температуры, превышающей температуру зоны кристаллизации. Последующее повышение температуры в зоне кристаллизации осуществляют через регулярные интервалы времени. Согласно способу создают дополнительную зону формовки, над которой располагают формирующий элемент с возможностью перемещения со скоростью роста кристаллов. Температуру зоны формовки устанавливают выше температуры зоны кристаллизации. Способ включает создание положительного градиента температур на границе между зоной формовки и формирующим элементом, а также установление давления насыщенных паров в термокамере больше критического. Возможно нанесение на формирующий элемент материала с пониженной к фуллерену адгезией и одновременное с ним нанесение материала с повышенной к фуллерену адгезией. В результате получают аллотропную форму углерода в виде кристаллического образца С60 с размерами: диаметр 3 мм, высота 2 мм (Патент РФ №2135648, опубл. 1999 г.).

Недостатком предлагаемого метода является технологическая сложность, заключающаяся в необходимости перемещения формирующего элемента во время процесса нагрева термокамеры. Также использование искусственно полученного порошка фуллеренов в качестве исходного материала делает метод дорогостоящим.

За прототип принят способ получения графеновой пленки, включающий осаждение в вакууме углерода из углеродсодержащего газа на подложку, покрытую катализатором. Подложку с катализатором предварительно нагревают до температуры, превышающей разложение углеродсодержащего газа, после чего производят последовательно напуск углеродсодержащего газа до давления 1-10-4 торр. Откачивание реактора производят через 1-300 с после напуска углеродсодержащего газа с одновременным охлаждением его до комнатной температуры со скоростью 10-100°С/мин. В результате на поверхности подложки формируется пленка в виде аллотропной формы углерода - графена, состоящая из зерен толщиной в 1 или несколько монослоев (Патент РФ №2500616, опубл. 2013 г.).

Однако предлагаемый способ является энергоемким, требующим нагрева до температуры 400-2000°С. Также в предлагаемом способе на подложку необходимо нанести катализатор, выбранный из ряда: Fe, Ni, Cu, или комбинацию металлов, включающую по крайней мере два из вышеупомянутых, что требует дополнительного времени и делает процесс более затратным. Использование в качестве углеродсодержащего компонента газа, выбранного из ряда: ацетилен, метан, этан, пропан, бутан, этилен, гексан, или комбинацию этих газов с инертным газом, усложняет и удорожает процесс. Способ позволяет получать графеновую пленку толщиной только в несколько монослоев (<5 нм).

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи - создания экономичного способа получения качественной углеродной пленки при упрощении технологического процесса.

Техническим результатом является увеличение размера и толщины пленок, экономичность способа.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе получения углеродной пленки в термокамере, включающем осаждение в вакууме углерода из углеродсодержащего компонента на предварительно нагретую подложку, согласно изобретению в качестве углеродсодержащего компонента используют углерод природного минерала шунгита, с размером частиц 0,01-1 мкм, который помещают в зону испарения термокамеры и осуществляют в начале нагрев испарителя до температуры возгонки 350-400°С, с последующим повышением температуры до 750°С со скоростью 3-5°С/мин, дополнительно создают зоны формовки и термостабилизации, разделенные подложкой, которую располагают в зоне конденсации, устанавливают температуру зоны формовки в диапазоне (330-340)°С и поддерживают ее постоянной в течение процесса осаждения, устанавливают температуру зоны испарения больше температуры зоны формовки и температуру зоны термостабилизации меньше температуры зоны формовки.

Природный минерал шунгит представляет собой гибридный материал, состоящий из двух взаимопроникающих сеток наноразмерных частиц углерода и кремнезема, включающий примеси алюмосиликатов, карбонатов, сульфидов металлов. Формирование гибридного шунгитового материала происходило в водной среде в относительно мягких условиях, т.е. изначально материал представлял коллоидную систему, конденсация которой привела к образованию геля, твердеющего с образованием конденсационных (слабых) и кристаллизационных (прочных) включений. Для получения углеродной пленки создают шунгитовый порошок с размером частиц 0,01-1 мкм по известной технологии (Патент РФ №2448899, опубл. 2012 г.).

На фиг. 1 схематически изображена термокамера для реализации предлагаемого способа. На фиг. 2 представлена зависимость температуры области испарения от времени нагрева. На фиг. 3 представлена фотография (а) образца на основе углеродсодержащей пленки и ее 3D-проекция (б). На фиг. 4 представлен спектр комбинационного рассеяния образца.

Термокамера состоит из цилиндра, в основании которого создается зона испарения 1, обеспечивающая возгонку углерода природного минерала шунгита, над которой в крышке цилиндра расположена зона формовки 2. Подложка 3, на которой в зоне конденсации 4 происходит формирование углеродной пленки из углерода шунгита, примыкает вплотную к крышке цилиндра с зоной формовки 2. Над подложкой 3 создают зону термостабилизации 5, где устанавливают охладитель, представляющий собой медный цилиндр.

Способ осуществляют следующим образом. В качестве термокамеры (фиг. 1) используют цилиндрический стакан, выполненный из меди с размерами: диаметром 20 мм, высотой 25 мм, толщиной стенки 1 мм. Теромокамеру закрепляют вплотную к поверхности термического нагревателя (на фиг. 1 не показан). В качестве нагревателя используют вольфрамовый ленточный нагреватель с геометрическими размерами 20×5×0,1 мм. Температуру нагрева контролируют по термопаре Pt-Pt/Ro. В качестве зоны формовки 2 используют медное кольцо с внутренним диаметром, равным 3 мм и толщиной стенки 2 мм. Кольцо закрепляют в верхней части термокамеры. Нагрев кольца осуществляют ленточным вольфрамовым нагревателем с геометрическими размерами 40×2×0,1 мм, обернутым вокруг него. Температуру нагрева кольца контролируют по термопаре Pt-Pt/Ro. Подложкой 3 служит кварцевое стекло толщиной 0,5 см. Подложку располагают непосредственно на поверхности кольца 3 и полностью перекрывают его внутреннее отверстие. Последовательность действий при осуществлении способа следующая. В термокамеру, в зону испарения 1 на дне термокамеры, помещают углеродсодержащий компонент в виде порошка углерода природного минерала шунгита с размером частиц 0,01-1 мкм в количестве 400 мг. Термокамеру располагают на поверхности нагревателя. В верхней части термокамеры помещают медное кольцо (зона формовки 2) с закрепленной на нем подложкой 3. На подложке располагают охладитель - медный цилиндр (зона термостабилизации 5). Всю конструкцию помещают под колпак вакуумной камеры и откачивают до давления 10-6 мм рт.ст. Создают градиент температур между границей зоны формовки 2 и подложкой 3. Далее проводят нагрев зоны формовки 2 до температуры в пределах 330-340°С. Эту температуру поддерживают постоянной на протяжении всего эксперимента. Экспериментально установлено, что при температурах зоны формовки выше и ниже указанных пределов не образуется качественной углеродной пленки. Затем проводят нагрев термокамеры с дискретностью 3-5°С/мин. Экспериментально установлено, что оптимальной является скорость 3-5°С/мин. При скорости более 5°С/мин происходит возгонка агрегатов углерода природного минерала шунгита, в результате чего образуется пленка с рыхлой поверхностью. При скорости менее 3°С/мин наблюдаются сильные эффекты окисления за счет остаточных газов.

По достижении в зоне испарения 1 температуры 350-400°С начинает происходить возгонка порошка углерода природного минерала шунгита и в зоне формовки 2 концентрируются его пары. Пары проходят от дна термокамеры (зона 1) к зоне формовки 2 и оседают на поверхности подложки 3 в зоне конденсации 4. Таким образом, происходит рост углеродной пленки в пределах внутреннего отверстия медного кольца (зона формовки 2). За время процесса температура зоны термостабилизации 5 не превышала 100°С. Весь процесс продолжают до достижения температуры 750°С в зоне испарения 1. После этого отключают нагреватель термокамеры. После охлаждения термокамеры до температуры 300°С отключают нагреватель зоны формовки 2 и происходит охлаждение всей конструкции до комнатной температуры. После этого снимают медное кольцо 2 вместе с подложкой 3. В зоне формовки 2 во внутреннем отверстии кольца образовывался пленочный образец с размерами: диаметр 8 мм, высота ~3 мкм. Полученная углеродная пленка имеет однородный состав и превышает толщину графеновой пленки по сравнению с прототипом в 103 раз.

На фиг. 3 представлена фотография (а) полученного образца и его 3D-проекция (б). 3D-проекция образца получена на цветном лазерном сканирующем 3D-микроскопе серии VK-9700 (Keyece).

Для оценки структурных особенностей (идентификации структуры углерода и ее дефектности) проводилось изучение спектров комбинационного рассеяния света на дисперсионном рамановском спектрометре Nicolet Almega XR (Thermo Scientific). Съемка происходила при длине волны излучения 532 нм и ширине спектрального окна от 100 до 3500 см-1, с последующим разложением полученных спектров при помощи программного обеспечения «Omnic». На фиг. 4 представлен спектр комбинационного рассеяния образца. Сравнение основных пиков комбинационного рассеяния спектра образца со спектром графена выявило совпадение G-линий обоих материалов.

Полученные спектры подтверждают, что в примере реализации получена углеродная пленка с характеристиками, близкими к графеновым структурам. Таким образом, заявляемый способ позволяет получать качественные однородные по составу пленки, превышающие толщину и размеры пленки, полученные в прототипе, в 1000 раз. Преимуществом заявляемого способа также является упрощение процесса и уменьшение стоимости целевого продукта за счет использования углерода природного минерала шунгита и снижения энергоемкости процесса.

Углеродсодержащие пленки, полученные предлагаемым способом, могут найти применение как основа для создания проводящих и сверхпроводящих материалов в тонкопленочном исполнении в фотонных устройствах нового поколения, как сверхъемкие аккумуляторы и суперконденсаторы, высокочувствительные химические сенсоры и разделительные мембраны.

Способ получения углеродной пленки в термокамере, включающий конденсацию в вакууме углерода из углеродсодержащего компонента на предварительно нагретую подложку, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего компонента используют углерод природного минерала шунгита с размером частиц 0,01-1 мкм, который помещают в зону испарения термокамеры и осуществляют вначале нагрев испарителя до температуры возгонки 350-400°С с последующим повышением температуры до 750°С со скоростью 3-5°С/мин, дополнительно создают зоны формовки и термостабилизации, разделенные подложкой, расположенной в зоне конденсации, и устанавливают температуру зоны испарения больше температуры зоны формовки, а температуру зоны термостабилизации - меньше температуры зоны формовки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления детали с покрытием из истираемого материала, при этом изготовленная деталь может представлять собой корпус турбомашины, внутренняя поверхность которого в радиальном направлении по меньшей мере частично покрыта истираемым покрытием.

Изобретение относится к способам и устройствам для нанесения износостойкого покрытия. Введение частиц порошкового материала в распылительное сопло.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к порошковым материалам для газотермического напыления покрытий, и может быть использовано для защиты деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), наземных газотурбинных установок (ГТУ) и ракетных двигателей (РД) от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.
Изобретение относится к области получения материалов, в частности к составам шихты для шликерных покрытий при формировании защитных покрытий на конструкционные материалы, используемые в энергетике, машиностроении, космической, ядерной технике и других областях промышленности.

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к устройствам для смешивания порошков для наплавки, и может быть использовано при восстановлении и упрочнении деталей.

Изобретение относится к получению электропроводящих соединений металлов. .

Изобретение относится к восстановлению отверстий корпусных деталей под подшипники качения и может быть использовано на предприятиях при ремонте картеров агрегатов трансмиссии автомобильной и гусеничной техники.

Изобретение относится к покрытиям с высокой излучательной способностью и может быть использовано для покрытий теплоотводов в электронной промышленности, электронагревательных элементов, а также поверхностей тепловыделяющих элементов в технике и быту.

Изобретение относится к области фрикционно-электромеханического нанесения покрытий на поверхности стальных и чугунных изделий и может быть использовано для повышения износостойкости деталей представляющих собой тела вращения при металлообработке.

Изобретение относится к способу производства металлического изделия, металлическому изделию, способу соединения металлических деталей и конструкции с соединением и может найти использование в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к способу изготовления детали с покрытием из истираемого материала, при этом изготовленная деталь может представлять собой корпус турбомашины, внутренняя поверхность которого в радиальном направлении по меньшей мере частично покрыта истираемым покрытием.

Изобретение относится к способу изготовления углеграфитовых изделий. Осуществляют приготовление смеси на основе углеродосодержащего наполнителя, размещение смеси в виде слоя в области формования изделия и проведение ее облучения лазерным излучением в атмосфере инертного газа.

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке поверхности циркониевых сплавов для повышения коррозионной стойкости поверхности. Способ обработки поверхности пластины из циркониевого сплава включает нанесение порошка оксида магния на поверхность пластины и лазерную обработку, которую осуществляют за 1-10 проходов при средней мощности лазерного излучения 10-60 Вт, частоте импульсов 20-100 кГц, скорости сканирования луча лазера 100-1000 мм/с.

Изобретение относится к устройству для нанесения износостойкого покрытия (60), которое представляет собой покрытие из карбида вольфрама (WC), на поверхность детали и к способу нанесения указанного покрытия.

Изобретение относится к улучшенному составу суспензии, которая может использоваться для получения улучшенного теплового барьерного покрытия, а также к пористому теплобарьерному защитному от воздействия внешней среды покрытию, способу получения упомянутой водной суспензии и способу нанесения данной суспензии на подложку.
Изобретение относится к технологии изготовления изделий для теплообмена и проведения гетерогенного катализа, а более конкретно к cпособу припекания монослоя из медных шариков к металлической контактной поверхности тепломассообменника, и может быть использовано в производстве аппаратов для каталитической химии, теплообменников, а также в экспериментальной криогенике и производстве эффективных криоинструментов для хирургии.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к комбинированным способам получения покрытий, и может быть использовано, в частности, для получения покрытий на деталях.

Изобретение относится к способу высокоскоростного газопламенного напыления многослойного композитного покрытия из порошковых материалов на металлическое изделие.

Изобретение относится к технологии получения покрытий и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при изготовлении или восстановлении деталей для придания поверхности повышенных характеристик сопротивления коррозии.

Изобретение относится к способу аддитивной обработки деталей из сплавов системы Al-Si и может быть использовано в машиностроительных отраслях для изготовления и восстановления малоразмерных изделий и их конструктивных элементов, преимущественно, поперечного размера в субмиллиметровом диапазоне (менее 1 мм).

Изобретение относится к элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, имеющему по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие.

Изобретение относится к полупроводниковой и сверхпроводниковой электронике и может быть использовано при изготовлении фотонных устройств, сверхъёмких аккумуляторов и суперконденсаторов, высокочувствительных химических сенсоров и разделительных мембран. Углеродсодержащий материал - природный минерал шунгит с размером частиц 0,01-1 мкм помещают в зону испарения 1 термокамеры. Испаритель нагревают до температуры возгонки 350-400°С. Затем повышают температуру до 750°С со скоростью 3-5°Смин. Дополнительно создают зоны формовки 2 и термостабилизации 5, разделенные подложкой 3, расположенной в зоне конденсации 4. Температуру зоны испарения 1 устанавливают большей, чем температура зоны формовки 2, а температуру зоны термостабилизации 5 - меньше температуры зоны формовки 2. В результате конденсации в вакууме углерода на предварительно нагретую подложку 3 получают углеродную пленку, однородную по составу, размером 1 мм и более и толщиной 0,1 мкм и более при снижении энергоемкости процесса. 4 ил.

Наверх