Формирование углеродных пленок из газовой фазы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Золотухин, Алексей Александрович

• Золотухин, Алексей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Золотухин, Алексей Александрович

Введение.

Глава 1. Получение и исследование углеродных пленок (литературный обзор)

§ 1. Аллотропные формы углеродных материалов.

§2.0саждение углеродных материалов из газовой фазы.

2.1. Общие сведения о методах осаждения пленочных углеродных материалов из газовой фазы.

2.2. Физико-химические механизмы газофазного осаждения углеродных пленок.

2.3. Основные понятия физики тлеющего разряда.

§3. Оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) газовой фазы в плазмохимических процессах.

3.1. Принципы и особенности метода ОЭС плазмы.

3.2. ОЭС для различных модификаций плазмохимического осаждения углерода.

§4. Комбинационное рассеяние света (КРС) в углеродных материалах

4.1. Элементы теории КРС в кристаллах.

4.2. Особенности КРС в углеродных материалах.

4.2.1. КРС в алмазоподобных материалах.

4.2.2. КРС в графитоподобных материалах.

Глава 2. Методика эксперимента

§ 1. Экспериментальные методики для осаждения углеродных пленок и оптической диагностики процесса осаждения.

1.1. Плазмохимическое осаждение углеродных пленок.

1.2. Оптическая эмиссионная спектроскопия газоразрядной плазмы

§2. Методы диагностики фазового состава и морфологических особенностей углеродных пленок.

2.1. Комбинационное рассеяние света.

2.2. Структурно-морфологические исследования поверхности.

2.3. Автоэлектронная микроскопия.

Глава 3. Изучение процессов формирования углеродных материалов из газовой фазы

§ 1. Влияние электрических параметров разряда на формирование углеродных пленок.:.

§2. Влияние материала подложек и их предварительной обработки на процесс формирования углеродных пленок.

§3. Изучение оптических эмиссионных спектров газоразрядной плазмы.

3.1. Описание эмиссионных спектров и пространственное распределение углеродсодержащих компонентов в плазме разряда.

3.2. Влияние примеси азота на морфологию и структурные характеристики углеродных пленок.

§4. Влияние электрических поля на формирование углеродных пленок.

4.1. Экспериментальное наблюдение влияния электрического поля на рост углеродных пленок.

4.2. Гидродинамическая модель плазмы и оценка величины электрического поля у поверхности подложки.

§5. Механизм формирования наноуглеродных материалов из газовой фазы.

5.1. Структурно-морфологические особенности и фазовый состав наноуглеродных пленок.

5.2. Механизм формирования наноуглеродных пленок.

§6. Механизм формирования высокоупорядоченных графитных пленок.

6.1. Получение и структурно-морфологические особенности высокоупорядоченных графитных пленок.

6.2. Механизм формирования высокоупорядоченных графитных пленок.

Глава 4. Свойства тонкопленочных наноуглеродных материалов

§ 1. Автоэлектронная эмиссия из наноуглеродных пленок.

§2. Аномальное комбинационное рассеяние света в графитных плёнках.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование углеродных пленок из газовой фазы»

Углеродные материалы находят широкое применение в современной технике, а разработка методов их получения и исследование свойств привлекает значительный интерес с научной точки зрения. Наиболее структурно упорядоченные формы углерода в виде алмаза и графита имеют ряд уникальных свойств, делающих их незаменимыми в электронике, электротехнике и ряде других областей. Источником такого рода кристаллических углеродных материалов служат природные месторождения и искусственный синтез. В последнее время кроме широко используемых форм углерода в виде алмаза и графита, были обнаружены и ранее неизвестные его формы в виде наноразмерных структур различной топологии, среди которых наиболее известны наноалмаз, фуллерены, углеродные нанотрубки, наноконусы (нанорожки) и т.п. структуры. Хотя в литературе встречаются указания на обнаружение таких наноуглеродных материалов в объектах природного происхождения, наиболее обычным способом их получения является искусственный синтез.

С точки зрения практического использования, в большинстве случаев углеродные материалы требуются в виде тонких пленок, нанесенных на подложку, или в виде тонкопленочных покрытий на различных деталях, изготовленных из других материалов. Создание таких пленок возможно исключительно искусственным путем и требует разработки соответствующих технологий. Обычно их основой является осаждение углерода из газовой фазы. Среди большого разнообразия таких методов наиболее высокий уровень структурного совершенства осаждаемого углеродного материала достигается в ходе процессов газофазного химического осаждения, сопровождающихся химической реакцией между углеродсодержащими газообразными компонентами, в результате которой происходит синтез требуемого углеродного материала. Для создания условий реализации такого рода процессов газовая среда активируется тем или иным способом. Одним из наиболее удобных способов активации газовой среды является использование электрического разряда.

В настоящее время разработано несколько типов установок и технологий для получения материалов в виде алмазных, графитных пленок, слоев углеродных нанотрубок и других углеродных материалов с различными структурными характеристиками. Однако многие детали этих процессов остаются невыясненными, что препятствует их оптимизации для получения материалов с заданными свойствами. Кроме того, развитие науки и техники требует создания материалов нового типа. Так, наряду с уже упомянутыми выше наноструктурированными формами углерода, в последнее время резко возрос интерес к изучению и использованию сверхтонких слоев графита, состоящих из одного или нескольких атомных слоев (графенов) и имеющих высокий уровень кристаллографического упорядочения. Используемые в настоящее время методы получения таких слоев не позволяют получать надежно воспроизводимые результаты, и не приемлемы для создания практических технологий.

Решение указанных проблем представляет актуальную задачу для различных областей науки и техники, включая физику наноматериалов, физику газового разряда, кристаллографию, плазмохимию, оптическую спектроскопию и др., различные аспекты которых требуют своего развития для определения механизмов процессов, приводящих к формированию углеродных пленочных материалов с различными свойствами, а также взаимосвязи этих свойств с параметрами используемых процессов. Указанные соображения послужили основной мотивацией при формулировке цели данной работы: определение закономерностей процессов, протекающих при газофазном осаждении углеродных пленок и разработка методов получения алмазных, графитных пленок и слоев углеродных нанотрубок с различными структурными характеристиками.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследований:

- разработка новых и модернизация имеющихся установок и методов синтеза углеродных пленок различного состава и с различными структурными характеристиками с помощью газофазного химического осаждения в плазме разряда постоянного тока;

- разработка методов, обеспечивающих контроль параметров процессов осаждения углеродных пленок с помощью регистрации оптических эмиссионных спектров плазмы;

- определение корреляционных связей между различными параметрами процесса осаждения и свойствами получаемых углеродных пленок;

- построение моделей и определение физических механизмов процессов формирования углеродных материалов с различной структурой в условиях плазмы газового разряда постоянного тока;

- получение наноструктурированных углеродных пленочных материалов с различным соотношением алмазо- и графитоподобной фаз;

- получение сверхтонких графитных пленок с высокой степенью кристаллографического упорядочения и определение их структурных характеристик.

Научная новизна результатов, полученных в результате выполнения работы состоит в следующем:

- впервые методом газофазного химического осаждения получены высокоупорядоченные пленки графита нанометровой толщины; проведено всестороннее исследование структурных характеристик таких пленок; предложена модель их формирования, включающая в себя гетероэпитакисальный рост графита на поверхности никеля, имеющей аналогичные графиту параметры кристаллической решетки; предложен механизм формирования топологии поверхности высокоупорядоченных графитных пленок на никелевых подложках;

- разработаны методы получения углеродных пленок с различным составом (алмазо- и графитоподобного типа) и структурными характеристиками, включая поликристаллические алмазные пленки, состоящие из кристаллитов микронного и нанометрового размера, графитные наноструктурированные пленки с ориентацией базовой кристаллографической плоскости перпендикулярно и вдоль подложки, слои углеродных нанотрубок;

- установлена взаимосвязь между составом газовой фазы и уровнем ее активации в разряде постоянного тока с характеристиками получаемых углеродных пленок; показано, что графитоподобные структуры формируются при наличии в газовой фазе димеров углерода;

- определены оптические эмиссионные спектры газоразрядной плазмы в смеси метан-водород и их зависимость от электрических параметров разряда; предложена физическая модель, описывающая газоразрядную плазму, и на ее основе сделаны численные оценки величины электрического поля у поверхности подложки.

Практическая ценность работы заключается в разработке эффективных методов получения углеродных пленок с различными характеристиками; определении взаимосвязи параметров процесса осаждения углеродных пленок в активированной разрядом постоянного тока газовой смеси водорода и метана с составом и структурными характеристиками получаемых пленок; создании установки и методики для анализа состава и параметров активированной газовой смеси с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии; создании методик безкаталитического роста углеродных нанотрубок, формирования нанокристаллических графитных пленок и получения сверхтонких высокоупорядоченных слоев графита.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны методы получения высокоупорядоченных пленок графита нанометровой толщины, алмазных и графитных поликристаллических пленок с контролируемым размером и ориентацией составляющих их кристаллитов, а также слоев углеродных нанотрубок посредством осаждения из газовой смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянного тока.

2. Установлена взаимосвязь параметров процесса осаждения со структурными характеристиками и составом осаждаемых углеродных пленок. Показано, что получение материала графитного типа (нанографитные пленки и углеродные нанотрубки) происходит при наличии в плазме димеров Сг.

3. Предложена теоретическая модель, описывающая состояние плазмы в процессе осаждения углеродных пленок и с помощью этой модели проведены численные оценки распределения величины электрического поля у поверхности подложки. Предложена качественная модель, описывающая формирование наноструктурированных графитных материалов из активированной разрядом постоянного тока смеси метана и водорода.

Представленные в диссертации результаты прошли апробацию на научных конференциях и семинарах: International Topical Meeting on Field Electron Emission From Carbon Materials, 2001 - Moscow (Russia); Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 2002, 2004, 2005 - Москва; 15&th International Vacuum Microelectronics Conference & 48th International Field Emission Symposium, 2002 - Lyon (France); European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT), 2002,2003, 2004 - Lausanne (Switzerland); Nano and Giga Challenges in Microelectronics research and Opportunities in Russia. Symposium and Summer School, 2002 - Moscow (Russia); European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides and Silicon Carbide "DIAMOND" 2002 - Granada (Spain), 2004 - Riva Del Garda, Trentino (Italy), 2005 - Toulouse (France); Annual Conference Of Doctoral Students "WDS", 2003 - Prague, (Czech Republic); Seventh Applied Diamond Conference/Third Frontier Carbon Technology Joint Conference (ADC/FCT 2003) 2003 - Tsukuba (Japan); ICHMS'2003, Sudak, Crimea, (Ukraine); 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, 2004, Prague (Czech Republic); Международная научно-практическая конференция "Нанотехнологии - производству 2004", Фрязино; 7th Biennal International Workshop "Fullerenes and Atomic Clusters", 2005, St Petersburg, (Russia); ICNDST&ADC 2006 Joint Conference, Research Triangle Park, North Carolina (USA); 4th Forum on New Materials, 2006, Acireale, Sicily (Italy); Northern Optics 2006, Bergen (Norway); Российско-украинский семинар "Нанофизика и Наноэлектроника", 2006 г., Санкт-Петербург.

По материалам исследований, представленных в диссертации опубликовано 10 статей в реферируемых научных журналах. Список опубликованных статей приводится в конце диссертации.

Достоверность полученных и представленных в диссертации результатов подтверждается использованием апробированных и обоснованных методов, теоретических представлений, тщательностью проведенных измерений, согласием экспериментальных результатов, полученных независимыми методами исследований, работоспособностью созданных установок и разработанных методик, а также общим согласием с результатами других исследователей.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов выполнены совместно соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Золотухин, Алексей Александрович

Основные результаты работы:

1) Создано экспериментальное оборудование, разработаны методики для получения углеродных пленок из газовой фазы, активированной разрядом постоянного тока, включающие в себя средства для анализа состава и других параметров газоразрядной плазмы с помощью оптических эмиссионных спектров.

2) Обнаружена корреляция между содержанием димеров С2 в газоразрядной плазме с формированием углеродных пленок с графитным типом структуры. Определены концентрации газовых компонент (метан и водород), оптимальные для получения углеродных пленок различного состава (алмаз, графит).

3) Определена зависимость характеристик осаждаемых углеродных пленок от параметров плазмохимического процесса, а также от материала и обработки используемых подложек.

4) Предложен механизм безкаталитического формирования углеродных нанотрубок и нанографитных пленок из газовой фазы. Получена оценка толщины прианодного слоя в плазме у поверхности подложки. Показана возможность влияния электрического поля на пространственную ориентацию наноуглеродных структур.

5) Впервые методом плазмохимического осаждения получены высокоупорядоченные пленки графита нанометровой толщины. Предложен механизм образования таких пленок, включающий стадию гетероэпитаксиального роста графита на никеле.

6) Показано, что комбинационное рассеяние света в нанографитных пленках соответствует механизму двойного резонанса. Определены характеристики комбинационного рассеяния света для графитных пленок с различным уровнем структурного совершенства.

В заключение хочу выразить глубокую признательность моему научному руководителю профессору А.Н. Образцову за общее руководство и неоценимую поддержку в работе, многочисленные и полезные обсуждения.

Я благодарен к.ф.-м.н. А.П. Волкову за помощь в проведении экспериментальных исследований, к.ф.-м.н. А.А. Захидову за помощь в моделировании условий в плазме тлеющего разряда. Я признателен А.В. Гаршеву за проведение исследований наноуглеродных образцов с помощью растровой электронной микроскопии. Я также благодарю коллег из Национального Университета Сингапура профессора А. Ви, Ч. Чанга и Ф. Хайминга за помощь в проведении исследований метадоми АСМ и СТМ и интерпретации полученных результатов.

Часть работ была выпонена при финансовой поддержке INTAS (грант №01-0254), CRDF (проект №RP2-2559-MO-03), проекта №12881 ("FERROCARBON: "Room Temperature Ferromagnetism in Graphite and Fullerenes") европейской программы FP6, а также гранта Национального университета Сингарура по программе обмена для студентов и аспирантов.

Список публикаций по результатам, представленным в настоящей работе

1. A.N. Obraztsov, A.A. Zolotukhin, А.О. Ustinov, А.Р. Volkov, Yu. Svirko, К. Jefimovs; DC discharge plasma studies for nanostructured carbon CVD; Diamond and Related Materials 12 (2003), 917-920.

2. A.N. Obraztsov, A.A. Zolotukhin, A.O. Ustinov, A.P. Volkov, Yu.P. Svirko; Chemical vapor deposition of carbon films: in-situ plasma diagnostics; Carbon 41 (2003), 836-839.

3. Золотухин А.А., Образцов A.H., Волков А.П., Устинов A.O.; Формирование наноразмерных углеродных материалов в газоразрядной плазме; Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 9.

4. A.N. Obraztsov, A.A. Zolotukhin, А.О. Ustinov, А.Р. Volkov, Yu. Svirko, К. Jefimovs; In situ plasma diagnostics for chemical vapor deposition of nanocarbon thin film materials; Microelectronic Engineering 69 (2003), 446451.

5. Золотухин A.A., Образцов A.H., Волков А.П., Устинов А.О.; Образование наноуглеродных пленочных материалов в газоразрядной плазме; ЖЭТФ, Т. 124, No6, 2003, стр. 1291-1297.

6. A. Ustinov, A. Zolotuhin, A. Volkov, A. Obraztsov; Nano-carbon thin film deposition in plasma activated by DC discharge; WDS'03 Proceedings of Contributed Papers, Part II, 347-351,2003.

7. A.N. Obraztsov, A.A. Zolotukhin, A.O. Ustinov and A.P. Volkov; Plasma CVD characterization of nanocarbon film growth; Surface and Interface Analisys 36 (2004), 481-484.

8. A.B. Тюрнина, A.A. Золотухин, A.H. Образцов; Влияние материала подложки на осаждение углеродных пленок из газовой фазы; Письма в ЖТФ, 2006, том 32, вып. 17 стр.1-5.

9. Obraztsov A.N., Groening О., Zolotukhin А.А., Zakhidov Al.A., Volkov A.P.; Correlation of field emission properties with morphology and surface composition of CVD nanocarbon films; Diamond and Related Materials, vol. 15, 2006, pp.1044-1049.

10. Ал. А. Захидов, О.А. Клименко, И.А. Попов, А.А. Золотухин, A.H. Образцов; Влияние электрического поля на рост наноуглеродных структур из газовой фазы; Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 14. стр. 1-9.

Доклады и сообщения, сделанные на международных научных конференциях и семинарах

1. A.A. Zolotukhin, А.Р. Volkov, А.О. Ustinov, A.N. Obraztsov. Structural and phase composition features of carbon films grown by DC PECVD process, Abstracts Book of International Topical Meeting on Field Electron Emission From Carbon Materials, p.67, 2-4 July, 2001, Moscow, Russia.

2. A.O. Ustinov, A.P. Volkov, A.A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov. Carbon thin films deposition in plasma activated by DC discharge, Abstracts Book of International Topical Meeting on Field Electron Emission From Carbon Materials, p.66, 2-4 July, 2001, Moscow, Russia.

3. A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, A.A. Zolotukhin, A.O. Ustinov. Growth mechanism of nano-carbon films by plasma activated CVD, 15&th International Vacuum Microelectronics Conference & 48th International Field Emission Symposium, July 7-11, 2002, Lyon, France.

4. A.A. Zolotukhin, A.O. Ustinov, A.P. Volkov, A.N. Obraztsov. In-situ plasma diagnostic for CVD growth of nano-carbon film materials, Junior-Euromat2002, 2-5 September 2002, Lausanne, Switzerland.

5. A.O. Ustinov, A.A. Zolotukhin, A.P. Volkov, A.N. Obraztsov. DC discharge plasma studies of nanostructed carbon CVD, 13 th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide, 8-13 September 2002, Granada Conference and Exhibition Centre, Granada, Spain.

6. Alexei A. Zolotukhin, A.O. Ustinov, A.P. Volkov, and A.N. Obraztsov. In situ plasma diagnostic for chemical vapor deposition of nanocarbon thin film materials, Nano and Giga Challengers in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, 10-13 September 2002, Moscow, Russia.

7. Золотухин A.A., Устинов A.O., Волков А.П., Образцов А.Н. Оптическая спектроскопия плазмы разряда в СН^Нг газовой смеси, 1-ая Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 17-19 октября 2002г., Москва, Российская Федерация.

8. Образцов А.Н., Волков А.П., Золотухин А.А., Устинов А.О. Газофазное химическое осаждение углеродных пленок, 1-ая Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 17-19 октября 2002г., Москва, Российская Федерация.

9. Устинов А.О., Золотухин А.А., Волков А.П., Образцов А.Н. Электрические характеристики разряда в СН^Нг газовой смеси, 1-ая Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 17-19 октября 2002г., Москва, Российская Федерация.

10. A. Zolotukhin (Sp), А.О. Ustinov, А.Р. Volkov, A.N. Obraztsov. Nano-Carbon Thin Film Materials Growth and Characterization, Euromat2003, 1-5 September 2003, Lausanne, Switzerland.

11. D.A. Lyashenko, Al. A. Zakhidov(Sp), D.B. Alekseev, A.A. Zolotukhin, A.P. Volkov, A.N. Obraztsov. Nano-Carbon Thin Film Materials for Application in Lighting Devices, Euromat2003, 1-5 September 2003, Lausanne, Switzerland.

12. A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, Al. A. Zakhidov, A.A. Zolotukhin, A.O. Ustinov, D.A. Lyashenko. Carbon Nano-Materials for Vacuum Electronics, Third Frontier Carbon Technology Joint Conference (ADC/FCT 2003), 18-21 August 2003, Tsukuba, Japan.

13. A.A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, A.O. Ustinov. Nano-Carbon

Thin Film Materials Growth and Characterization, ICHMS'2003, 14-20 September 2003, Sudak, Crimea, Ukraine.

14. A.A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, O.A. Klimenko. Electric field effect on direction of carbon nanotubes growth in CVD process, 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, 19-23 July, 2004, Prague, Czech Republic.

15. S.N. Bokova, A.I. Chernov, T.V. Kononenko, G.M. Mikheev, E.A. Obraztsova, Yu.P. Svirko, A.A. Zolotukhin. Optical characterization of pristine and laser-treated nanostructured graphite films, 20th General Conference Condensed Matter Division EPS, 19-23 July, 2004, Prague, Czech Republic.

16. A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, Yu.P. Svirko, K. Jefimovs. Electric Field Effect on Direction of Carbon Nanotubes Growth in CVD process, Junior-Euromat2004, 6-9 September 2004, Lausanne, Switzerland.

17. A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, Yu.P. Svirko, K. Jefimovs. Electric Field Effect on Direction of Carbon Nanotubes Growth in CVD process, 15th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide, 12-17 September 2004, Riva Del Garda, Trentino, Italy.

18. Клименко О.А., Волков А.П., Золотухин A.A., Образцов А.Н. Влияние электрического поля на направление роста углеродных нанотрубок в CVD процессе, 3-я Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 1315 октября 2004г., Москва, Российская Федерация.

19. А.В. Галдецкий, Е.А. Котюргин, А.Н. Образцов, А.П. Волков, А.А. Негирев, И.И. Голеницкий, Ю.Б. Рудый, А.А. Золотухин. О возможности создания сильноточной электронной пушки с автоэмиссионным катодом на основе наноструктурированного электрода, Международная научно-практическая конференция "Нанотехнологии - производству 2004", 8-9 декабря 2004г., Россия, Фрязино.

20. A. Zolotukhin, A.N. Obraztsov, A.V. Tyurnina and A.P. Volkov. Nano-carbon films: optical characterization of deposition process and material properties, 7th Biennal International Workshop "Fullerenes and Atomic Clusters", June 27- July 1, 2005, St Petersburg, Russia.

21. A.A. Zolotukhin, Al.A. Zakhidov, O. Groning, A.N. Obraztsov. Correlation of field emission properties with morphology and surface composition of CVD nanocarbon films, 16th European Conference on Diamond, DiamondLike Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides, 11-16 September 2005, Toulouse, France.

22. Золотухин A.A., Тюрнина A.B., Можарова A.E., Попов И.А., Гаршев А.В.+, Волков А.П., Образцов А.Н. Нанографитные тонкопленочные материалы: механизм формирования в газоразрядной плазме, 4-я Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 26-28 октября 2005г., Москва, Российская Федерация.

23. Тюрнина А.В., Волков А.П., Золотухин А.А., Образцов А.Н. Изучение процесса газофазного осаждения углеродных пленок методом комбинационного рассеяния света, 4-я Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 26-28 октября 2005г., Москва, Российская Федерация.

24. Попов И.А., Золотухин А.А., Волков А.П., Образцов А.Н. Оптическая эмиссионная спектроскопия плазмы в процессе осаждения углеродных пленок, 4-я Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 26-28 октября 2005г., Москва, Российская Федерация.

25. Можарова А.Е., Волков А.П., Золотухин А.А., Гаршев А.В.+, Образцов А.Н. Изучение нуклеации и роста нанографитных пленок методом КРС, 4-я Международная конференция "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 26-28 октября 2005г., Москва, Российская Федерация.

26. A.N. Obraztsov, Andrew T.S. Wee, Gao Xingyu, Liu Binghai, Alexei A. Zolotukhin and Dmitry S. Kuznetsov. Structural and Electronic Properties of Nano-Graphite CVD Films, ICNDST&ADC 2006 Joint Conference, May 1518, 2006, Research Triangle Park, North Carolina, USA.

27. A.N. Obraztsov, A.P. Volkov, A.A. Zolotukhin, A.V. Tuyrnina, A.E. Mozharova. Plasma Assigned CVD of Nano-carbon Film Materials, 4th Forum on New Materials, June 4-9 2006, Acireale, Sicily, Italy.

28. A.N. Obraztsov, A.A. Zolotukhin, and I.A. Popov. Optical spectroscopy diagnostic of plasma assisted growth of carbon films, Northern Optics 2006, June 14-16 2006, Bergen, Norway.

29. A.H. Образцов, А.П. Волков, A.A. Захидов, A.A. Золотухин. Нано-графитные пленки: синтез, свойства, применения, Седьмой международный Российско-украинский семинар "Нанофизика и Наноэлектроника", 1-4 октября 2006 г., Санкт-Петербург, Российская Федерация.

Заключение

В настоящей работе представлены результаты комплексного исследования процесса формирования углеродных пленок из газовой фазы. Проведен анализ условий осаждения, структурных и морфологических особенностей пленочных наноуглеродных материалов, состоящих из наноразмерных чешуек графита, а также высокоупорядоченных графитных пленок нанометровой толщины. Предложены физические модели, позволяющие объяснить наблюдаемые структурные особенности и механизм формирования наноуглеродных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Золотухин, Алексей Александрович, 2007 год

1. Pierson Н.О. Handbook Of Carbon, Graphite, Diamond And Fullerenes, USA, NP, 1993.

2. Iijima S., Helical Microtubules Of Graphitic Carbon, Nature, vol. 354, 1991, pp. 56-58.

3. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curland R.F., Smalley R.E., C60: Buckminsterfullerene, Nature, vol. 318, 1985, pp. 162-163.

4. The Properties of Diamond. Ed. by Field J.E., London, Academic Press, 1990, p.675.

5. R.B. Heimann, S.E. Evsyukov, Y. Koga. Carbon allotropes: a suggested classification scheme based on valence orbital hybridization. Carbon, 1997. V.35. P.1654-1658.

6. Ткачеико В. И., Квасков В. Б. Электронные приборы на основе алмаза, Сб. ст. "Алмаз в электронной технике", отв. ред. В. Б. Квасков. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 22-33.

7. Новиков Н.В. Гонтарь А. Г. Применение синтетических алмазов в электронике Сб. ст. "Алмаз в электронной технике", отв. ред. В. Б. Квасков. -М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 57-73.

8. Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др. Физические величины: Справочник под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

9. Odom T.W., Huang J.L., Kim P. Lieber C.M., Structure and Electronic Properties of Carbon Nanotubes, J. Phys. Chem. В vol. 104, 2000, pp. 27942809.

10. Образцов А.Н. Павловский И.Ю. Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках, ЖТФ, 2001, т.71 вып.11 с.89-95.

11. Musatov A.L., Kiselev N.A., Zakharov D.N., Kukovitskii E.F., Zhbanov A.I., Izrael'yant K.R., Chirkova E.G., Field electron emission from nanotube carbon layers grown by CVD process, Appl. Surface Science, vol.183, 2001, pp.111-119.

12. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, S. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Fisrov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science, 2004, v. 306, pp. 666-669.

13. K.S. Novoselov, E. McCann, S.V. Morozov, V.I. Falko, M.I. Katsnelson, U. Zeitler, D. Jiang, F. Schedin, A.K. Greim. Unconventional quantum Hall effect and Berry's phase of 2тг in bilayer graphene. Nature Physics, 2006, v. 2, pp. 177-180.

14. T. Ohta, A. Bostwick, Th. Seyller, K. Horn, E. Rottenberg. Controlling the Electronic Structure of Bilayer Graphene. Sciende, 2006, v. 313, pp. 951-954.

15. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. Grigorieva, S.V. Dubonos, A.A. Firsov. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature, 2005, v. 438, pp. 197-200.

16. Y. Zhang, Y.-W. Tan, H.L. Stormer, P. Kim. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature, 2005, v. 438, pp. 201-204.

17. J.B. Cui, J. Robertson, W.I. Milne. Field emission site densities of nanostructured carbon films deposited by a cathodic arc. J. Appl. Phys. 2001, v. 89, pp. 5707-5711.

18. L.B. Freud, S. Suresh. Thin Film Materials. Stress, Defects Formation and Surface Evolution. Cambridge University Press, London, 2003. P. 331.

19. B.V. Deryagin, D.V. Fedoseev, V.M. Lukyanovich, B.V. Spitsyn, A.V. Ryanob, A.V. Lavrentyev, J. Cryst. Growth, 2, 380, 1968.

20. B.V. Deryagin, D.V. Fedoseev, V.M. Lukyanovich, B.V. Spitsyn, A.V. Ryanob, A.V. Lavrentyev, Доклады Акад. Наук СССР 231, 333,1976.

21. Spitsyn B.V. Diamond films: synthesis, properties and some fields of applicatios. Science And Technology Of New Diamond, KTK Scientific Publisher, Toky,p. 1-7, 1990.

22. Spitsyn B.V. Chemical crystallization of diamond from the activated vapor phase. Journal of Crystal Growth, USA, v. 99, n. 1-4, p. 1162-1167, 1990.

23. Spitsyn B.V.; Bouilov, L.L.; Deryagin, B.V. Diamond and diamond-like films: deposition from the vapour phase, structure and properties. Progr Cryst Growth Charact, Russia, v. 17, n. 2, p. 79-170, 1988.

24. Spitsyn B.V. Crystal growth under thermodynamically metastable conditions. Journal of Crystal Growth, New York and London, v. 13, p. 58- 66,1986.

25. Spitsyn B.V.; Bouilov, L.L.; Deryagin, B.V. Growth of diamond on diamond and other surfaces. Journal of Crystal Growth, USA, v. 52, p. 219-226,1981.

26. Spitsyn B.V. Growth of Diamond Films from the Vapour Phase in book "Handbook of Crystal Growth". Vol.3, ed. by D.T.J. Hurle. Amsterdam, Elsevier, 1994, p. 403-456.

27. Bachman P. K. Plasma CVD Techniques for low pressure synthesis of diamond: an overview in book "Properties and Growth of Diamond" ed. by Davies Gordon. London, UK, p. 349-353.

28. Bachman P. K. Plasma CVD synthesis of diamond in book "Properties and Growth of Diamond" ed. by Davies Gordon., London, UK, p. 354-363.

29. Fox B. Diamond Film from book "Thin Film Technology Handbook", ed. by Aicha A. R. Elshabini-Riad and Fred D. Barlow III, p. 7-1 7-74.

30. Yasuaki Hayashi, Tetsu Negishi, and Shigehiro Nishino Growth of well-aligned carbon nanotubes on nickel by hot-filament assisted dc plasmachemical vapor deposiion in a CH4/H2 plasma. J. Vac. Sci. Technol. A 19(4), Jul/Aug 2001, p.1796-1799.

31. Bachman P. K. General aspects of CVD growth of diamond and their correlation in book "Properties and Growth of Diamond" ed. by Davies G. London, UK, p. 364-367.

32. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.-1987.

33. Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука,-1969.

34. F. Zhang, Y. Zhang, Y. Yang, G. Chen, X. Jiang. // Appl. Phys. Lett. 57, 1467 (1990).

35. Pearse R.W.B., Gaydon D.V. The identification of molecular spectra. London: Chapman and Hall, 1976.

36. Сущинский M.M., Комбинационное рассеяние света и строение вещества. М., 1981.

37. Горелик B.C., Умаров Б.С., Введение в спектроскопию КРС в кристаллах. 1982.

38. Collins А.Т., Davies G., Kanda H., Woods G.S., J.Phys. С, 21, 1363 (1988).

39. Hass K.C., Tamor M.A., Anthony T.R., Banholzer W.F., Phys.Rev. B, 45, 7171 (1992).

40. Hanfland M., Syassen K., J.Appl.Phys., 57, 2752 (1985).

41. Ager III J.V., Kirk Veirs D., Rosenblatt G.M., Phys.Rev.B., 43, 6491 (1991).

42. Tardieu A., Cansell F., Petitet J.P., J.Appl.Phys., 68, 3243 (1990).

43. Lespade P., Al-Jishi R., Dresselhaus M.S., Carbon, 20, 427 (1982).

44. A.C. Ferrari., MRS proc., vol. 675, W.l 1.5.1 W.l 1.5.12 (2001).

45. A.K. Arora, T.R. Ravindran, G.L.N. Reddy, et. al., Diamond and Related Materials, 10 (2001), p.p. 1477-1485.

46. Mermoux M., Fayette L., Marcus В., et. al., Diamond and Related Materials, v. 4 (1995), p.p. 745-749.

47. Павловский И.Ю. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук, 1999.

48. Волков А.П. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физмат наук, 2001.

49. A.N. Obraztsov, А.Р. Volkov, K.S. Nagovitsyn, et. al., J. Phys. D: Appl. Phys. 35,357 (2002).

50. K.N. Eltsov, A.N.Klimov, S.L.Priadkin, V.M.Shevlyuga, and V.Yu.Yurov, Phys.Low Dim.Struct. 7/8,115 (1996).

51. Захидов A.A. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физмат наук, 2006.

52. Nilsson L.O., Microscopic characterization of electron field emission from carbon nanotubes and carbon thin-film electron emitters, Inaugural-Dissertation no 1337, Druckerei Saint-Paul Fribourg, 2001.

53. A.H. Образцов, А.П. Волков, А.И. Воронин, С.В. Кощеев, ЖЭТФ 120, 970(2001).

54. А.Н. Образцов, А.П. Волков, И.Ю. Павловский, Письма в ЖЭТФ 68, 56 (1998).

55. Справочник. Под. ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., Физические величины. М.: Энергоатомиздат. 1991.

56. D.M. Gruen., Annu. Rev. Mater. Sci., 21, 211 (1999).

57. C. Johnson, A. Crosley, P.R. Chalker, et al., Diamond and Related Mat., 1 (1992), 450.

58. A. Badzian, T. Badzian, Appl. Phys. Lett. 62(26) (1993) 3432.

59. Prelas M. A., Popovici G., Bigelow L. K. Handbook of industrial diamonds and diamond films, N. Y.: Marcel Dekker Inc.-1997.

60. R. Locher, C. Wild, N. Herres, D. Behr, P. Koidl, Appl. Phys. Lett. 65 (1994)34.

61. S. Jin, T.D. Moustakas, Appl. Phys. Lett. 65 (4) (1994) 403.

62. F. Silva, A. Gicquel, A. Tardieu, P. Cledat, Th. Chauveau, Diamond Relat.Mater. 5 (1996) 338.

63. P.W. May, P.R. Burridge, C.A. Rego, et al., Diamond Relat. Mater. 5 (1996) 354.

64. T. Vandevelde, M. Nesladek, C. Quaeyhaegens, L. Stals, Thin Solid Films 290(1996) 143.

65. T. Vandevelde, M. Nesladek, C. Quaeyhaegens, L. Stals, Thin Solid Films 308(1997) 154.

66. T. Vandevelde, T.D. Wub, C. Quaeyhaegens, J. Vlekken, M. D'Olieslaeger, L. Stals, Correlation between the OES plasma composition and the diamond film properties during microwave PA-CVD with nitrogen addition, Thin Solid Films 340 (1999) 159-163.

67. Y.K. Liu, P.L. Tso, D. Pradhan, I.N. Lin, M. Clark, Y. Tzeng, Structural and electrical properties of nanocrystalline diamond (NCD) heavily doped by nitrogen, Diamond & Related Materials 14 (2005) 2059 2063.

68. G.Z. Cao, J.J. Schermer, W.P.J, van Enckevort, W.A.L.M. Elst, L.J. Giling, J. The effect of nitrogen addition during high-rate homoepitaxial growth of diamond by microwave plasma CVD Appl. Phys. 79 (1996) 1357.

69. H. Chatei, J.Bougdira, M.Remy, P.Alnot Mechanisms of diamond films deposition from MPACVD in methane-hydrogen and nitrogen mixtures, Surface and coating technology 98 (1998) 1013-1019.77,7879,8081,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,

70. Fan S., Chapline M.G., Franklin N.R., Tombler Th.W., Cassell A.M., Dai H., Science 1999. V. 283. P. 512-514.

71. Золотухин A.A., Образцов A.H., Волков А.П., Устинов А.О., Письма в ЖТФ 2003. Т. 124. С. 58-63.

72. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко ЮП., Письма в ЖТФ 2004. Т. 30. С. 88-94.

73. А.Н. Образцов, А.П. Волков, И.Ю. Павловский, A.JI. Чувилин, Н.А.

74. Рудина, В.Л. Кузнецов, Письма в ЖЭТФ, 69(1999), 381-386.

75. A.N. Obraztsov, I. Pavlovsky, А.Р. Volkov, E.D. Obraztsova, A.L. Chuvilin,

76. V.L. Kuznetsov, J. Vac. Sci. Technol. B, 18(2000), 1059-1062.

77. Mason E.A., McDaniel E.W., Transport Properties of Ions in Gas. New

78. York: John Wiley & Sons, 1988. 560 p.

79. Mason E. A., Vanderslice J.T., Phys. Rev. 1959. V. 114. P. 497-504. Hagelaar G.J.M., de Hoog F.J., Kroesen G.M.W., Phys. Rev. E. 20000. V. 62. P. 1452-1461.

80. Ellis H.W., Pai R.Y., McDaniel E.W., Mason A., Viehland L. A., Atomic Data and Nuclear Data Tables 1976. V. 17. P.177-210. BOLSIG Boltzmann solver for the SIGLO-series 1.0, CPA Toulouse & Kinema Software. 1996.

81. Pitchford L. C., O'Neil S.V., Rumble J.R., Phys. Rev. A. 1981. V. 23. P. 294-307.

82. Van Der Donk P., Yousif F.B., Mitchell, J.B.A., Hickman, A.P.Phys. Rev. Lett. 1991. V. 67. P. 42-45.

83. G.J.M. Hagelaar, F.J. de Hoog, G.M.W. Kroesen, Phys. Rev. E., 62, 1452 (2000).

84. FEMLAB reference manual. COMSOL AB, Stockholm, 2004. Chhowalla M., Тео K.B.K., Ducati C., Rupesinghe N. L., Amaratunga G. A. J., Ferrari A. C., Roy D., Robertson J., Milne W. I., J. Appl. Phys. 2001. V. 90. P. 5308-5317.

85. Saito R., Dresselhaus G., Dresselhaus M.S., Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, London, 1998. 259.

86. Obraztsov A. N., Pavlovsky I., Volkov A. P., Obraztsova E. D., Chuvilin A. L., Kuznetsov V. L., Aligned carbon nanotube films for cold cathode applications, J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 18, N 2, 2000, pp. 1059-1063.

87. K. S. Novoselov et al., Two-dimensional atomic crystals, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2005, 102,10451.

88. Toshiaki Enoki et.al., Graphite Intercalation Compounds and Applications (Hardcover), Oxford University Press, USA, 2003, 456.

89. Hass J., Jeffrey C.A., et al., Highly ordered graphene for two dimensional electronics, cond-mat/0604206, 7 apr 2006.

90. Rollings E., Gweon G.-H., et al., Synthesis and characterization of atomically-thin graphite films on a silicon carbide substrate, arXiv:cond-mat/0512226 v2 2 Oct 2006.

91. Золотухин A.A., Образцов A.H., и др., Образование наноуглеродных пленочных материалов в газоразрядной плазме, ЖЭТФ. 2003, Т. 124. С. 1291-197.

92. Winder S. М., Liu D., et al. Synthesis and characterization of compound-curved graphite, Carbon, 2006,Vol. 44, Pages 3037-3042.

93. Tontegode A.Ya. Carbon on transition metal surfaces. Progress in Surface Science 1991, 38 (3-4), 201-429.

94. Bertoni G., Calmels L., Altibelli A., Serin V. First-principles calculation of the electronic structure and EELS spectra at the graphene/Ni(l 11) interface. Phys. Rev. В 2004, 71 (7), 075402.

95. Gamo Y., Nagoshima A., Wakabayashi M., Terai M., Oshima C. Atomic structure of monolayer graphite formed on Ni(lll), Surface Science 1997, 374 (1), 61-64.

96. Thomsen C., Reich S. Double Resonant Raman Scattering in Graphite. Phys. Rev. Lett. 2000; 85 (24); 5214-5217.

97. Wang, Y., Alsmeyer, D. C. & McCreery, R. L. Raman spectroscopy of carbon materials: structural basis of observed spectra, Chem. Mater., 1990, 2, 557.

98. Procsik, I., Hundhausen, et al., Origin of the D peak in the Raman spectrum of microcrystalline graphite, J. Non-cryst. Solids, 1998, 227-230,1083.

99. Matthews, M. J., Pimenta, M. A., Origin of dispersive effects of the Raman D band in carbon materials, Phys. Rev., 1999, B59, R6585.

100. Sood, A. K., Gupta, R., et al., Origin of the unusual dependence of Raman D band on excitation wavelength in graphite-like materials, J. Appl. Phys., 2001,90, 4494.