Статья

Название статьи БИОМИМИЧЕСКИЕ АДГЕЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Автор О. И. Ильин
Рубрика РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Месяц, год 02, 2018
Индекс УДК 621.38-022.533
DOI 10.23683/2311-3103-2018-2-75-84
Аннотация Представлены результаты исследований закономерностей влияния режимов выращивания углеродных нанотрубок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы на геометрические размеры и адгезионные свойства массивов нанотрубок. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния времени активации, мощности плазмы, температуры и времени роста на параметры углеродных нанотрубок. Показано, что выдержка в плазме аммиака приводит к травлению каталитических центров Ni и уменьшению их диаметра. При этом с увеличением времени «активации» увеличивается вероятность объединения мелких каталитических центров в более крупные вследствие поверхностной диффузии, что приводит к увеличению диаметра и снижению плотности углеродных нанотрубок. Установлено, что повышение мощности плазмы до 40 Вт способствует полному удалению мелких каталитических центров и образованию индивидуальных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Время «активации» менее 5 сек способствует повышению адгезии каталитических центров к подложке и позволяет управлять механизмом роста. С увеличением температуры до 675 °С наблюдается одновременное протекание процессов сублимации и поверхностной диффузии, что приводит к уменьшению диаметра, высоты и плотности углеродных нанотрубок. Также повышение температуры приводит к ускорению десорбции ацетилена с поверхности образца и углеродсодержащий газ откачивается вакуумной системой, не прореагировав с каталитическими центрами. Установлено, что отсутствие вектора напряженности электрического поля, определяющего направление роста углеродных нанотрубок, приводит к формированию разориентированного массива УНТ. Показано, что управление технологическими режимами роста позволяет создавать массивы углеродных нанотрубок различных типов: переплетенные, индивидуальные, разветвленные и разориентированные. Проведены исследования адгезии экспериментальных образов методом атомно-силовой микроскопии. Установлено, что наибольшую величину силы адгезии (11121 нН) показывают ориентированные массивы углеродных нанотрубок, которые в процессе выращивания были сгруппированы в пучки с диаметром отдельных нанотрубок 51 нм, высотой 0,69 мкм и плотностью 69 мкм-1. Результаты исследований могут быть использованы при создании адгезионных покрытий и механических контактов высокой прочности для космической индустрии и робототехники, а также при создании элементов углеродной наноэлектроники.

Скачать в PDF

Ключевые слова Углеродные нанотрубки; плазмохимическое осаждение из газовой фазы; адгезия; атомно-силовая микроскопия; адгезионные покрытия.
Библиографический список 1. Qu L., Dai L. Gecko-foot-mimetic aligned single-walled carbon nanotube dry adhesives with unique electrical and thermal properties // Adv. Mater. – 2007. – Vol. 19. – P. 3844-3849.
2. Lau K., Bico J., Teo K., Chhowalla M., Amaratunga G., Milne W.I., McKinley G.H., Gleason K.K. Superhydrophobic carbon nanotube forests // Nano Letters. – 2003. – Vol. 3, No. 12.
– P. 1701-1705,
3. Rouhrig M., Thiel M., Worgull M., Houlscher H. 3D Direct Laser Writing of Nano- and Microstructured Hierarchical Gecko-Mimicking Surfaces // Small. – 2012. – Vol. 8, No. 19.
– P. 3009-3015.
4. Autumn K., Liang Y.A., Hsieh S.T., Zesch W., Chan W.P., Kenny Th.W., Fearing R., Full R.J. Adhesive force of a single gecko foot-hair // Nature. – 2000. – Vol. 405. – P. 681-685.
5. Jeong H.E., Lee S.H., Kim P., Suh K.Y. High aspect-ratio polymer nanostructures by tailored capillarity and adhesive force // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2008. – Vol. 313-314. – P. 359-364.
6. Majidi C., Groff R.E., Autumn K., Baek S., Bush B., Gravish N., Maboudian R., Maeno Y., Schubert B., Wilkinson M., Fearing R.S. High friction from a stiff polymer using micro-fiber arrays // Physical Review Letters. – 2006. – Vol. 97. – P. 076103.
7. Ge L., Sethi S., Ci L., Ajayan P.M., Dhinojwala A. Carbon nanotube-based synthetic gecko tapes // Proc. Nat. Acad. Sciences. – 2007. – Vol. 104, No. 26. – P. 10792-10795.
8. Qu L., Dai L., Stone M., Xia Z., Wang Z.L. Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off // Science. – 2008. – Vol. 322. – P. 238-242.
9. Yurdumakan B., Raravikar N.R., Ajayan P.M., Dhinojwala A. Synthetic gecko foot-hairs from multiwalled carbon nanotubes // Chemical Communications. – 2005. – Vol. 2005. – P. 3799-3801.
10. Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Ильина М.В., Ильин О.И., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Исследование адгезии вертикально ориентированных углеродных нанотрубок к подложке методом атомно-силовой микроскопии // Физика твердого тела. – 2016. – № 2. – C. 301-306.
11. Greiner C., Campo A.D., Arzt E. Adhesion of bioinspired micropatterned surfaces: effects of pillar radius, aspect ratio, and preload // Langmuir. – 2007. – Vol. 23, No. 7. – P. 3495-502.
12. Ageev O.A., etc. al. Development of new metamaterials for advanced element base of micro- and nanoelectronics, and microsystem devices // Springer Proceedings in Physics. – 2016.
– Vol. 175. – P. 563-580.
13. Ильин О.И., Климин В.С., Рубашкина М.В., Сергиенко К.С., Семенов А.С., Федотов А.А., Чинь Ван Мыой, Яненко В.Ю. Термодинамический анализ взаимодействия в системе Ni-Cr-Si при выращивании углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – C. 79-92.
14. Il’in O.I., Il’ina M.V., Rudyk N.N., Fedotov A.A., Ageev O.A. The growth temperature effect on vertically aligned carbon nanotubes parameters // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. – 2018. – Vol. 9, No. 1. – P. 92-94.
15. Klimin V.S., Il’ina M.V., Il’in O.I., Rudyk N.N., Ageev O.A. Research of influence of the underlayer material on the growth rate of carbon nanotube arrays for manufacturing non-volatile memory elements with high speed // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series. – 2017. – Vol. 917. – P. 092023.
16. Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Конакова Р.В., Миленин В.В., Пилипенко В.А. Фазы внедрения в технологии полупроводниковых приборов и СБИС. – Харьков: НТК “Институт монокристаллов”, 2008. – 392 с.
17. Достанко А.П., Аваков С.М., Агеев О.А. и др. Технологические комплексы интегрированных процессов производства изделий электроники. – Минск: Белорусская наука, 2016. –251 с.
18. Алексеев А.Н., Соколов И.А., Агеев О.А., Коноплёв Б.Г. Комплексный подход к технологическому оснащению центра прикладных разработок. Опыт реализации в НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 4 (117). – С. 207-210.
19. Агеев О.А., Быков В.А. Технологическое оборудование для создания наносистемной техники // Нанотехнологии Экология Производство. – 2010. – № 5. – С. 68-70.
20. Коноплев Б.Г., Агеев О.А. Элионные и зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники // Известия ЮФУ Технические науки. – 2008. – № 12 (89). – С. 165-175.
21. Агеев О.А., Ильин О.И., Климин В.С., Рубашкина М.В., Смирнов В.А., Сюрик Ю.В., Цуканова О.Г. Исследование возможности создания биомимических адгезионных покрытий на основе массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 58-67.
22. Ageev O.A., Ilin O.I., Kolomiytsev A.S., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A. Investigation of effect of geometrical parameters of vertically aligned carbon nanotubes on their mechanical properties // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 894. – P. 355-359.
23. Агеев О.А., Ильин О.И., Рубашкина М.В., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Определение удельного сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методами сканирующей зондовой микроскопии // Журнал технической физики. – 2015.
– Т. 85, № 7. – C. 100-106.
24. Il'ina M.V., Il'in O.I., Blinov Yu.F., Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Fedotov A.A., Konoplev B.G., Ageev O.A. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. – 2017. – Vol. 123. – P. 514-524.
25. Агеев О.А., Быков А.В., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Рубашкина М.В., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Исследование методов модификации зондов для атомно-силовой микроскопии критических размеров осаждением углеродных нанотрубок // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2015. – Т. 20, № 2. – C. 127-136.

Comments are closed.