1.9 Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) были обнаружены в 1991 г. Иджимой и представляют собой цилиндрические организованные структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до не­скольких микрон. Таким образом, нанотрубки представляют собой квази­одномерные структуры. Нанотрубки встречаются в природном материа­ле — шунгите — однако в настоящее время они получаются искусственно несколькими способами.

1. Наиболее широкое распространение получил метод синтеза, осно­ванный на использовании дугового разряда с графитовыми электро­дами, разработанный Кретчмером для получения фуллеренов из сажи. На рис. 1.20 показана схема установки.

Дуговой разряд между графитовыми электродами горит в камере с охлаждаемыми стенками при давлении буферного газа (Не или Аr) около 500 Торр.

Рис. 1.20 Схемы получения нанотрубок: а) применение газовой среды; б) применение жидкого азота: 1 — расходуемый графитовый анод; 2 — катод; 3 — водяное охлаждение; 4 — подача инертного газа; 5 — насос; 6 — подача жидкого азота; 7 — отбор нанотрубок

Межэлектродное пространство поддерживается на посто­янном уровне (около 1 мм) за счет подвижного расходуемого анода. При токе 100 А и напряжении на электродах 25 -г 35 В температура плазмы в межэлектродной области достигает значений 4 000 К. За счет конвекции атомы углерода уносятся в более холодную область плазмы, где часть из них образуют нанотрубки. Более производительная установка работает с применением жидкого азота.

2. Абляция графита с помощью лазерного облучения в атмосфере буферного газа.

Именно этот метод был пионерским в получении фуллеренов. При­меняется неодимовый лазер с длительностью импульса 8 не и активным пятном на графитовом стержне — 1,6 мм. Продукты термического рас­пыления графита уносятся из горячей области вместе с буферным га­зом и осаждаются на водоохлаждаемой поверхности медного коллектора. Эти продукты включают фуллерены, наночастицы графита и углерод­ные нанотрубки (однослойные и многослойные). Характеристики УНТ чувствительны к параметрам лазерного облучения, в частности, к длитель­ности и интенсивности лазерного импульса, что позволяет синтезировать нанотрубки с заданными структурными свойствами. Недостатком мето­да

cледует считать его невысокую производительность. Возможно также применение вместо лазера сфокусированного солнечного излучения.

3. Каталитическое разложение углеводородов.

К аталитическое разложение углеводородов на поверхности металли­ческого катализатора приводит к эффективному выходу УНТ. Подобный метод использовался ранее в CVD процессах для получения тонких угле­водородных волокон. Схема синтеза приведена на рис. 1.21. Катализатор, состоящий из высокодисперсного металла, заполняет керамический ти­гель, заключенный в трубчатую печь при температуре 700 ÷ 1 000° С, и продувается смесью — газообразного углерода и буферного газа, на­пример смесью С₂Н₂ : N₂ в соотношении 1:10. Высокая степень од­нородности УНТ достигается при использовании пористой подложки с максимально высокой степенью однородности пор. Оптимальной ока­зывается ситуация, когда поры заполнены кластерами металла, размер которых совпадает с размерами пор. В этом случае диаметр УНТ, обра­зующихся на поверхности катализатора, оказывается близким к размерам кластера и, соответственно, диаметру пор. Таким способом получают ориентированные УНТ относительно поверхности подложки, в частности на поверхности пористого кремния, наиболее употребляемого материала в микроэлектронике. Каталитический способ получения УНТ хорош так­же возможностью управления геометрическими характеристиками УНТ с помощью подбора металлов для катализаторов или их сплавов.