ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСИИ КАТАЛИЗАТОРА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

С момента первого упоминания о нанотехнологиях в 1959 году Ричардом Фейманом, интерес к этой области науки постоянно возрастает. К 2014 году существует множество видов наноматериалов (на основе металлов, углерода, кремния, полимеров и т.д.). Одним из перспективных направлений нанотехнологий является создание и использование углеродных нанотрубок (УНТ). УНТ, обладая уникальными свойствами, могут быть использованы как модификаторы различных конструкционных и функциональных материалов, в элементах микроэлектроники.

Потенциал применения УНТ на кремниевой подложке в области микроэлектроники достаточно широк - это полевые холодные катоды, интегральные схемы, тонкопленочные транзисторы, которые позволят перейти технике на более высокий уровень развития. Например, холодные катоды на основе УНТ, обладают необычными эмиссионными свойствами. Согласно [5], китайские исследователи разработали конструкцию полевого эмиссионного катода на основе УНТ, в качестве подложки использовали монокристаллическую пластину нанопористого кремния.

Получить слой УНТ на кремниевой подложке можно импрегнированием ее раствором исходных компонентов катализатора и нанесением дисперсии катализатора синтеза нанотрубок с дальнейшим проведением CVD процесса. Данная работа посвящена исследованию процесса получения дисперсии катализатора, позволяющей синтезировать равномерный слой УНТ на кремниевой подложке.

В качестве катализатора была выбранаNi-Mgкаталитическая система синтеза углеродного наноматериала, полученная методом термического разложения. Катализатор представляет собой систему сложных оксидов с размером частиц 5-20 мкм, позволяющую синтезировать многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) диаметром 20÷70нм и длиной более 2мкм.

Дисперсии Ni-Mg катализатора получали двумя способами: интенсивным смешением при t = 20°С и с использованием ультразвуковой установки периодического действия ИЛ-100 частотой 22кГц и мощностью 1 кВт. В процессе получения дисперсии варьировали время ультразвукового воздействия и вид катализатора. Известно [4, 1], что характеристики катализатора зависят не только от методов получения, но и от способов их активации. Под активацией подразумевается процесс преобразования каталитической системы любым энергетическим воздействием. Применение энергетического воздействия на стадии приготовления катализатора способствует получению высокодисперсной эффективной каталитической системы. Для приготовления дисперсии использовали образцы Ni-Mg катализатора, активированного ультразвуковым воздействием (УЗВ), переменным электромагнитным полем (ПЭП), сверхвысокочастотным воздействием (СВЧВ). Данные катализаторы позволяют синтезировать МУНТ, СЭМ-изображения которых представлены на Рисунке 1.

Структурная схема получения дисперсии Ni-Mg катализатора представлена на Рисунке 2. Время УЗВ на катализатор составляло 10-900 с.

Для дисперсий, полученных согласно структурной схеме  Рисунок 1, был изучен гранулометрический состав с использованием лазерного анализатора Nicomp 380 ZLS. Полученные результаты были сведены в Табл.1.

 

Таблица 1 

Результаты дисперсного анализа.

Вид катализатора	Размер частиц катализатора в дисперсии, мкм
	Интенсивное смешение при t=20°C	УЗВ 10 с	УЗВ 30с	УЗВ 60с	УЗВ 600 с	УЗВ 900 с
Без активации	2.85	2.2	1.42	1.4	0.645	0.9
	2	1.57	1.42	1.36	0.58	0.91
	1.64	1.26	1.39	1.3	0.61	0.88
активация ПЭП	1.19	1.06	1.12	0.85	0.65	0.77
	1.1	1.08	1.01	0.78	0.51	0.78
	1.27	1.2	1.05	0.82	0.56	0.75
активация УЗВ	1.55	1.42	1.06	0.69	0.55	0.69
	1.55	1.35	1	0.7	0.51	0.71
	1.18	1.37	1.01	0.75	0.56	0.69
активация СВЧВ	1.4	1.15	0.79	0.88	0.51	0.61
	1.44	0.995	0.89	0.78	0.48	0.59
	1.42	0.92	0.69	0.8	0.43	0.6

 

Для дисперсии катализатора (без активации), полученной интенсивным смешением при t=20°C в течение 600 с, характерен средний размер частиц 2,16 мкм, а УЗВ (600 с) – 0,61 мкм. Наиболее устойчивыми дисперсиями Ni-Mg катализатора являются образцы, полученные с использованием ультразвукового воздействия в течение 600 с.

Исследование влияния времени УЗВ на средний размер частиц катализатора представлен на Рисунке 3

Анализируя полученный график, целесообразнее для модифицирования кремниевой подложки использовать дисперсию Ni-Mg катализатора, активированного СВЧВ, так как согласно [3, 2] размеры нанотрубок зависят от размера частиц катализатора. Средний размер частиц катализатора, активированного СВЧВ, в дисперсии составляет 0,475 мкм.

Полученную дисперсию Ni-Mg катализатора, активированного СВЧВ, наносили на кремниевую подложку, сушили при 80°С с целью удаления влаги и осуществляли CVD процесс при t = 650°С. СЭМ-изображения полученного образца кремниевой подложки представлены на Рисунке 4

Анализ полученных СЭМ-изображений свидетельствует о равномерном синтезированном слое углеродных нанотрубок диаметром 20-40 нм на поверхности кремниевой подложки.

Проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что Ni-Mgкатализатор активированный СВЧВ в течение 30 секунд пригоден для синтеза УНТ на кремниевой подложке. Однако, УЗВ в течение 600-900 с не позволяет получать дисперсии катализатора с размером частиц нанометрового диапазона, что негативно влияет на качество синтезируемых на подложке УНТ.

 

Список литературы

1.      Буракова, Е.А. Влияние активации катализатора на качество углеродного наноматериала, синтезированного на фильтрующей керамике / Е.А. Буракова, А.Е. Бураков, А.Г. Ткачев // Размерные эффекты в наноструктурах и проблемы нанотехнологий: сб. ст. конф. – Тамбов, 2009. – С. 58 – 62.

2.      Мищенко С.В. Углеродные Наноматериалы. Производство, Свойства, Применение/ С.В. Мищенко, А.Г. Ткачѐв // М.: Машиностроение. - 2008. –с.320.

3.      Царева, С.Ю.. Исследование влияния природы и размера частиц катализатора на образование нанотрубок в методе каталитического пиролиза углеводородов / Жариков, Е.В., Коваленко, А.Н // Наукоемкие технологии. – 2004. - №6. – с.38 – 42.

4.      Tkachev A.G., Mikhaleva Z.A., Burakova E.A. Investigation of Methods for Improving the Activity of Catalysts for Producing Nanostructured Carbon Materials//Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol. 43.– No. 5. – Р. 739–742 – 2009.

5.      X.J. Li, W.F. Jiang, Nanotechnology 18, 065203 (2007).