Синтез однослойных УНТ CVD методом с летучим катализатором

Часть 2

Наночастицы углерода

Кемерово – 2013

Лабораторная работа № 1

Синтез однослойных УНТ CVD методом с летучим катализатором

Цель работы: ознакомиться с лабораторной установкой для синтеза ОУНТ, провести синтез ОУНТ, исследовать свойства полученных нанотрубок.

Содержание:

1. Введение

2. Описание метода синтеза УНТ

3. Описание лабораторной установки

4. Порядок выполнения работы

5. Контрольные вопросы

6. Список литературы

1. Введение

Углеродные трубки (или сокращенно УНТ) - это протяженные цилиндрические структуры диаметром от несколько десятков нанометров, и длиной до нескольких сантиметров. Они состоят из одной или нескольких, свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и обычно заканчиваются полусферической головкой, которая имеет вид половины молекулы фуллерена.

В настоящее время УНТ признаны одним из самых выдающихся открытий современной науки. Такая оценка определяется уникальными механическими, тепловыми и электрическими свойствами УНТ, которые определяют широкую сферу их возможного применения. Однослойные УНТ являются самыми прочными из всех известных материалов, поскольку обладают исключительно высоким модулем Юнга (> 1000 ГПа) и прочностью на растяжение (в десятки раз выше прочности стали). Большой интерес для многих приложений представляет их очень высокая продольная теплопроводность (вдвое выше, чем у алмаза).

Возможность получения как полупроводниковых, так и металлических УНТ и их устойчивость к пропусканию высоких токов являются важными свойствами в микро- и наноэлектронике для создания быстродействующих транзисторов, элементов памяти, сенсоров, переключателей, а также для применения УНТ в качестве проводников в интегральных схемах. Отдельной областью применения УНТ является создание композитных материалов на их основе. Связано это в первую очередь с тем, что нанотрубки, введенные в матрицу, существенно изменяют свойства матричного материала, такие как теплопроводность и электропроводность, а также их оптические и механические свойства.

2. Описание метода синтеза УНТ

В лабораторной установке реализован аэрозольный метод получения УНТ на основе ферроцена и этанола. Данный метод является одним из группы методов синтеза УНТ. Данный метод принадлежит у группе методов УНМ при помощи углеродсодержащих газов, в частности – методам, основанном на пиролизе.

По способу организации процессы пиролиза можно разделить на две группы: с катализатором на носителе и с летучим катализатором. В первом случае активный компонент катализатора вводят в реакционную зону на подложке или носителе в твердом виде, во втором – в виде паров или растворов, распыленных в тонкие капли. В качестве паров используют карбонилы, фталоцианины, металлоцены и другие соединения металлов, в качестве растворов – например, карбонилы металлов в толуоле. В нашем случае – смесь ферроцена и этилового спирта.

Примером проведения процесса с летучим катализатором является устройство, представленное на (рис.1). Кварцевая трубка, содержащая две зоны нагрева, выступает в роли реактора. Смесь камфары и ферроцена с кварцевой подложкой помещается в центр трубы, на равном расстоянии от зон нагрева. После нагрева печи подложка смещается в зону с меньшей температурой, где камфара и ферроцен выпариваются при 200 °С и подвергаются пиролизу в зоне с температурой 900 °С в токе аргона 50 мл/мин. После 15 минут нагрев отключается. При охлаждении до комнатной температуры получают углерод, осажденный на кварцевой подложке внутренней стенке кварцевой трубы в зоне с высокой температурой.

Рис.1 Реализация процесса синтеза УНТ

Одним из достоинств процессов с катализатором на носителе является значительно большее количество УНТ и УНВ, получаемых на единицу массы катализатора. Это количество (удельный выход) при получении УНВ может составлять десятки и сотни граммов углерода на грамм катализатора (гС / гkt). Величина удельного выхода при синтезе ОНТ обычно меньше, чем при получении МУНТ. Еще одним параметром, определяющим эффективность процессов с катализатором на носителе, является удельная производительность по катализатору, т.е. количество УНТ или УНВ, получаемых на единицу массы катализатора в единицу времени. Используют разнообразные способы активирования процесса: термический (внешний нагрев реактора, горячая нить, частичное сжигание углеводорода), плазменный (различные виды разрядов), лазерный (селективное возбуждение колебательных мод), с помощью электрического потенциала на подложке, комбинированный (горячая нить и разряд, селективное возбуждение и разряд).

Пиролитические способы допускают матричный синтез путем, например, выращивания УНТ и УНВ на катализаторе, введенном в нанопоры мембран. Только каталитическим пиролизом, используя возможности процесса химического осаждения из газовой фазы, можно получать структурированные осадки УНТ и УНВ на подложках с катализатором, нанесенные в виде упорядоченных островков, полос и любых фигур, т.е. изготавливать элементы приборов.

Подавляющая часть научной и патентной литературы по синтезу углеродных УНТ и УНВ посвящена периодическим процессам. Их реализуют, как правило, в трубчатых реакторах, типовая схема которых представлена на рис. 1.

Нагретую до температуры пиролиза (550…1000 °С) реакционную зону продувают инертным газом (Ar, He), затем подают углеродсодержащий газ. Движущийся вдоль катализатора газ диффундирует сквозь его слой и сорбируется на поверхности активных центров (металл), где протекает ряд последовательных химических реакций, конечными продуктами которых являются углерод и водород. Продуктами данного процесса, который классифицируется как газофазное химическое осаждение (ГФХО) или CDV-процесс, являются УНМ – ОУНТ, МУНТ и УНВ.

3. Описание лабораторной установки.

Для роста УНТ и их осаждения в виде пленок (сеток) был выбран для реализации метод CVD с использованием в качестве источников углерода и катализатора, соответственно, этилового спирта и ферроцена.

Схема лабораторной установки приведена на (рис.2):

Рис. 2. Схема лабораторной установки

В реакторе используется печь ПТК-1, 2-40 со стабилизацией температуры в диапазоне 300–1200 °С и обогреваемой длиной равной 40 см. Температура в трубке реактора измеряется при помощи измерителя температуры Fluke 52 c хромель-алюмелевой термопарой (-200 °С - +1370 °С). Смесь спирта с ферроценом помещается в чашу небулайзера для создания аэрозольных частиц. Поток аргона (500 см³/мин), проходя через чашу небулайзера, подхватывает аэрозольные частицы (диаметр частиц от 0.5 до 5 мкм.). Затем этот поток поступает в кварцевую трубу (с внутренним диаметром 22 мм) через охлаждаемый водой патрубок в зону высоких температур и смешивается с дополнительным потоком аргона (500 см³/мин). Выход патрубка находится в области трубы, стенки которой имеют температуру около 700 °С, что обеспечивает большой температурный градиент, необходимый для быстрого нагрева парогазовой смеси. УНТ, синтезируемые этим методом, собираются либо пропусканием потока через фильтр, либо осаждаются на охлаждаемом водой патрубке на выходе из реактора. Синтез проводится при температуре в реакторе около 900 °С.

4. Порядок выполнения работы

Рис.3. Общий вид установки

Рис.4 Общий вид системы осаждения УНТ на фильтр.

Рис.5 Распределение температур внутри зоны нагрева установки.