Установка роста углеродных нанотрубок CVDomna

Резюме

На сегодняшний день обозначены перспективы применения углеродных нанотрубок в композитах, наноэлектромеханических системах, датчиках и межсоединениях. Наиболее привлекательным методом получения углеродных нанотрубок являются процессы каталитического пиролиза из соображения внедрения в электронную технологию. Процессы каталитического пиролиза позволяют синтезировать нанотрубки с заданной ориентацией относительно других структурных компонентов.

Рис.1. Поток парогазовой смеси в реакторе

Испарительные методы (дуга, абляция) не позволяют вырастить нанотрубки в заданном месте, однако получаемый такими методами материал может быть нанесён на подложку и использован по назначению, в таком случае положение нанотрубок не контролируется. Задачи, на решение которых направлена настоящая работа, занимают своё место в общей картине работ по технологии материала углеродных нанотрубок. В настоящее время ведутся исследования по технологии синтеза нанотрубного материала с учитыванием роли катализатора, как при самом синтезе, так и позиционировании нанотрубок относительно других структурных компонент.

 

Задачи

1. Катализаторы специального назначения

Не каждое вещество может являться катализатором для синтеза углеродных нанотрубок, но их количество ограничено фундаментальными требованиями к ним:

- максимально развитая поверхность;

- энергия смешения с углеродом: 0<ω<2kT;

- прямое эвтектическое равновесие с углеродом

- хорошая адсорбция к углероду;

- не пассивироваться в диапазоне технологических условий.

Таблица Менделеева. Красным – некатализаторы. Зелёным – известные катализаторы. Синим – катализаторы в особых условиях и Серым возможные катализаторы

Катализаторы могут быть найдены либо среди возможных катализаторов, так и в новом виде исполненных известных катализаторах. Поскольку именно катализатор определяет свойства выращенной из него нанотрубки эта задача поиска специальных катализаторов задающих свойства нанотрубок является принципиально важной.

2. Механизм роста углеродных нанотрубок

В нашем случае этанол, попадая в камеру, разлагается с образованием монооксида углерода. Образовавшийся монооксида углерода адсорбируют на поверхности частицы катализатора, на которых происходит диспропорционирование молекул на раствояющийся в катализаторе углерод и углексилый газ. Процесс происходит до появления равновесного состояния системы «раствор углерода в катализаторе» – «квазижидкий адсорбат монооксида углерода». Частица катализатора, в которой растворяется углерод, плавает в капле собственного адсорбата монооксида углерода. При охлаждении, углерод, растворенный в частице, начинает «выходить» из нее и углерод десорбируется с капли. Капля, двигаясь по поверхности, оставляет за собой десорбированный углерод, в виде углеродной нанотрубки.

Схема роста углеродных нанотрубок

 

При растворении углерода в частице катализатора – она охлаждается, при дерастворении – она нагревается, если в конце дерастворения углерода частица катализатора не пассивируется углеродной плёнкой, то при условии наличия активных углеродсодержащих молекул в газовой фазе ничего не запрещает повторить процесс растворения-дерастворения с ростом старой углеродной нанотрубки или инициировать рост новой. Последовательный нагрев и охлаждение неравносильны, потому что растворение происходит поатомно, а дерастворение – покластерно. Исследование этого процесса позволит не только моделировать свойства катализатора под требуемые задачи, но и дать ответ на вопрос – «Существует ли предел длины углеродной нанотрубки?».

3. Кинетика процесса синтеза углеродных нанотрубок

Движение парогазовой смеси в реакторе описывается изящной системой уравнений:

Базовая система элементарных потоков

где t – время, u – скорость текучей среды, p – ее плотность, P – давление текучей среды, Si– внешние массовые силы, действующие на единичную массу такой среды; E – полная энергия единичной массы такой среды, Q H– тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объёме текучей среды,  – тензор вязких сдвиговых напряжений,  qi– диффузионный тепловой поток (нижние индексы означают суммирование по трём координатным направлениям).

В то же время в реакторе проходит ряд реакций:

Реакция

  , мДж

3O2+C2H5OH=2CO2+3H2O -11,440
C2H5OH=2C+H2O+2H2 -0,216
2C2H5OH=4C+O2+5H2 0,349
2O2+C2H5OH=2CO+3H2O -9,951
2CO=CO2+C -2,066
C2H5OH=CO+3H2+C 0,054

Свободные энергии химических реакций

Полное обобщение газодинамики и химической кинетики технологического процесса синтеза углеродных нанотрубок позволит вывести техпроцесс на максимальные характеристики по его эффективности.

4. Интеркаляция металлов в углеродные нанотрубки

Использование углеродных нанотрубок в качестве носителей материалов гарантирует их химическую защищённость от внешней среды. В нашей лаборатории было обнаружено, что материалы, участвующие в синтезе углеродных нанотрубок, всегда попадают во внутреннюю полость нанотрубки.

 

ПЭМ-изображения углеродных нанотрубок. а) -нанотрубка выросшая на несферической частице катализатора, б) -ПЭМ изображение нанотрубки с интеркалятом внутри, в) -ПЭМ изображение нанотрубки на конце которой произошло разрушение частицы которое повлекло за собой рост более мелких нанотрубок, г) -ПЭМ изображение нанотрубки, представленной на рисунке 2б, в рефлексе никеля.