Механизм образования углеродных нанотрубок
Первой и основной стадией синтеза CNTs (одностенной или многостенной) с помощью CVD является каталитическое разложение углеродосодержащего материала (например, CO, углеводороды или спирт) на поверхности металла катализатора, таком как Co, Ni или Fe. Типичные температуры CVD варьируются от 600 до 1000 ° С. Процесс чувствителен к структуре катализатора, а также к условиям реакции. Известно, что нанотрубки, синтезируемые CVD, длиннее, чем полученные другим методом. [21]. Предполагается, что образование УНВ подчиняется механизму "карбидного цикла", по которому молекула углеводорода после хемосорбции на поверхности катализатора металла претерпевает последовательный отрыв атомов водорода с последующим проникновением атома углерода через данную поверхность в объем металлической частицы катализатора. В это время происходит образование карбида металла или твердого раствора углерода в металле. Карбиды металлов могут быть как промежуточными, так и побочными продуктами процесса роста углеродных волокон, но образование карбидов металлов не является обязательным процессом, во время роста углеродных структур на слое катализаторов. Вторую стадию образования углеродного волокна требуется тщательно изучать, так как она непосредственно включает механизм зародышеобразования и роста УНТ на катализаторах металлов. Многие исследователи роста УНВ на частицах Fe имеют похожее мнение о том, что процесс протекает с благодаря диффузии углерода от одного участка поверхности частицы катализатора, на котором происходит разложение углеводородов, к другому, на котором происходит осаждение углерода, причем слой металла вблизи поверхности роста УНВ находится в состоянии насыщения углеродом (рис. 12). Диффузия углерода протекает от области высокого химического потенциала углерода к области низкого химического потенциала.
|
|
|
Рисунок 12 - Модель роста углеродных отложений [7]
При этом возможны два случая: либо процесс диффузии протекает преимущественно из-за градиента температуры, либо концентрации атомов С в растворе. В общем принято, что стадией, лимитирующей скорость роста углеродных волокон, является диффузия углерода через объем частицы катализатора.
В качестве базового механизма роста УНТ рассматривают механизм пар – жидкость – кристалл. Данный механизм состоит в следующем. При разогреве активированной поверхности на ней образуются капли жидкого раствора, например, Au–GaAs. В процессе эпитаксиального роста за счет адсорбции полупроводникового материала из газообразной фазы на поверхности капли раствор становится пересыщенным и происходит кристаллизация на поверхности под каплей. В результате растет нитевидный кристалл под каплей с поперечным размером, примерно равным диаметру капли, а сама капля движется вверх.
|
|
|
Ученые делят механизм каталитического образования УНТ на вершинный и корневой (рис. 13.). Образование УНВ на катализаторах Ni протекает по вершинному механизму: частицы катализатора находятся на растущих кончиках УНВ и перемещаются вместе с ними. При этом катализатор может разделяться на части, что приводит к образованию УНТ с разветвленной структурой. Рост однослойных УНТ идет по корневому механизму, когда частицы катализатора остаются на поверхности подложки. В этом случае больший вклад в механизм роста вносит взаимодействие частиц металла с подложкой. Механизм образования МУНТ, состоящих из небольшого числа слоев, также корневой.
Рисунок 13 - Вершинный (а) и корневой (б) механизмы роста углеродных нанотрубок [9]
Большинство предполагаемых механизмов влияния катализатора связано с предположением, что атомы металла занимают позиции на открытых краях прекурсорного фуллеренового кластера. Анализ первых экспериментов показала, что атомы кобальта или никеля вместо образования сильных связей на открытых краях нанотрубки приобретают сильную подвижность. Металлические атомы локально участвуют в формировании пятиугольников, что приводит к образованию закрытой УНТ. Атом катализатора способствует формированию гексагонов из углеродных атомов и таким образом дополнительно участвует в процессе роста трубки. Со временем атомы металла на краях трубки имеют тенденцию к агрегированию. Было обнаружено, что энергия адсорбции атома металла, уменьшается с увеличением размера адсорбированного металлического кластера, причем кластеры постепенно теряют свои реактивность и подвижность. При достижении размера металлического кластера некоторой критической величины энергия адсорбции кластера уменьшается до уровня, при котором начинается образование чешуек скоплений с краев трубки. На крае УНТ дефекты аннигилируют неэффективно при отсутствии катализатора и, значит, происходит закрытие первоначальной трубки.
|
|
|
ВЫВОД
Синтез фуллеренов и углеродных нанотрубок давно является важной частью при производстве МЭМС. На сегодняшний день данные материалы применяются в различных сферах науки для решения тех или иных задач. Понимание механизмов роста обсуждаемых веществ даст толчок в производстве новых материалов с требуемыми свойствами.
|
|
|
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочвар Д.А. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбо-э-икосаэдре/Д.А. Бочвар, Е.Г. Гальперн// Доклады Академии Наук СССР. Сер. Химия. -1973. -Т.209,№3. С.610-612.
2. Kroto H.W. С60: Buckminsterfullerene / H.W.Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley// Nature. -1985. -V.318.-P.162-163.
3. Kratchmer W. Solid C60: a new form of carbon. /W.Kratchmer, L.D.Lamb, K.Fostiropoulos, D.R. Huffman//Nature. -1990. -V.347. -P.354-359.
4. Hebard A.F., Rosseinsky M.J., Haddon R.C. et al. // Ibid. 1991. -Vol. 350. -P.600.
5. Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / S. Iijima // Nature. – 1991. – Vol. 354. – P. 56-58.
6. Кирчанов В.С. Наноматериалы и нанотехнологии: учебное пособие/ В.С. Кирчанов//Пермский нац. исслед. политех. ун-т. – Пермь. Изд-во Перм. нац. иссл. политех. ун-та 2016. – 193 с.
7. Мищенко С.В. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. / С.В.Мищенко, А.Г.Ткачев – Москва: Машиностроение, 2008. – 320 с.
8. Дъячков П.Н. Углеродные нанотрубки : строение, свойства, применения / Дьячков П. Н. - Москва : Бином. Лаб. знаний, 2006 (Вологда : ПФ Полиграфист). - 293 с.
9. Исмагилов Р.Р. Получение и свойства углеродных тубулярных наноструктур: дис. на соиск. учен. степ. канд. физ-мат. наук : 01.04.07 / Исмагилов Р.Р.; Московский гос.ун-т им. М.В.Ломоносова. - Москва: 2011. - 121 с.
10. Методы получения фуллеренов [Электронный ресурс] – 2013. – электронная статья – режим доступа к статье: https://sites.google.com/site/issledovanienanoobektov/fullereny/metody-polucenia-fullerenov, свободный.
11. Lebedkin S. Single-wall carbon nanotubes with diameters approaching 6 nm obtained by laser vaporization / S. Lebedkin, P. Schweiss, B. Renker, S. Malik, F. Hennrich, M. Neumaier, C. Stoermer, M.M. Kappes // Carbon - 2002. - No.40 - p. 417-423.
12. Iijima S. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter / S. Iijima, T. Ichihashi // Nature - 1993. - No.363 - p. 603-605.
13. Bethune D.S. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls / D.S. Bethune, C.H. Klang, M.S. de Vries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, R. Beyers // Nature - 1993. - No.363 - p. 605-607.
14. Antisari M. V. Synthesis of multiwall carbon nanotubes by electric arc discharge in liquid environments / M. V. Antisari, R.Marazzi, R. Krsmanovic // Carbon - 2003. - No.41 - p. 2393–2401.
15. Saito R. Physical Properties of Carbon Nanotubes / R. Saito, G. Dresselhaus and M. S. Dresselhaus // London: Imperial College Press - 1998. - 259p.
16. Yi Yang. Synthesis of CNTs on stainless steel microfibrous composite by CVD: Effect of synthesis condition on carbon nanotube growth and structure/ Yi Yang, Huiping Zhang, Ying Yan// Composites Part B – 2019.-№160. – p. 369-383.
17. Александров С.Е. Технология материалов электронной техники. Процессы химического осаждения из газовой фазы: учебное пособие / С.Е. Александров - Санкт-Петербург : Изд-во СПбГПУ, 2005. - 92 с.
18. Кремлёв К.В. Синтез, строение и свойства новых гибридных материалов на основе углеродных нанотрубок, модифицированных металлосодержащими покрытиями: дис. на соиск. учен. степ. канд. хим. наук : 02.00.04/ Кремлёв К.В.; Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород: 2017. - 175 с.
19. Monica M.S. In-plane carbon nanotube field emitters for high temperature integrated electronics: dis. req. deg. doc. phil. in phys.: / Monica M.S.; Georgetown University. - Washington, DC: 2008. - 206 p.
20. Фуллерены. Синтез, методы получения [Электронный ресурс] – 2020. – электронная статья – режим доступа к статье: https://works.doklad.ru/view/Gpt6ZIjmB4U/3.html , свободный.
21. Roman B., M. Somenath, Mechanism of CNT growth by CVD / B. Roman, Somenath M. // Chem. Phys. Lett. - 2006. - No.424. -P. 126-132.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 106; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!