Особенности формирования пленок системы С60–Bi при осаждении молекулярных и низкоэнергетичных ионных потоков (стр. 2 )

Для достижения данной цели в работе необходимо было решить такие задачи:

1.  Исследовать процессы сублимации пленок фуллерита непосредственно после их конденсации и после воздействия на них факторов окружающей среды.

2.  Выявить физическую суть процессов, протекающих в фуллерите, облучаемом потоком ускоренных ионов висмута, и определить параметры ионной бомбардировки, при которых не происходит разрушения молекул С60.

3.  Исследовать процессы конденсации одно– и двухкомпонентных потоков сублимированных молекул фуллерена и ускоренных ионов висмута при изменении температуры подложек и энергии ионов висмута.

4.  Установить закономерности формирования дифракционных картин кристаллами металлофуллеренов и исследовать структуру пленок системы С60 – Bi, сформированных осаждением в вакууме потоков компонентов с повышенной энергией ионов металла.

Объект исследования

Процессы, протекающие при формировании пленок системы С60 – Bi, осаждаемых из потоков компонентов с повышенной энергией ионов металла.

Предмет исследования

Параметры сублимации пленок фуллерита; процессы, протекающие в фуллерите, при его облучении низкоэнергетичными ионами висмута; состав, структура и особенности конденсации пленок системы С60 – Bi, полученных осаждением в вакууме одно– и двухкомпонентных потоков сублимированных молекул фуллерена и ускоренных ионов висмута; особенности дифракции рентгеновских лучей кристаллами металлофуллереновых клатратов с атомами металла в октаэдрических, тэтраэдрических и внутримолекулярных пустотах.

Методы исследования

Содержание висмута в металлофуллереновых конденсатах определяли с использованием рентгеновского флуоресцентного анализа. Распределение висмута в пленках определяли методом сканирующей растровой микроскопии. Структуру пленок исследовали методами рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии. Твердость и модуль упругости пленок С60 определяли методом наноиндентирования.

Научная новизна полученных результатов

1.  Получили дальнейшее развитие исследования параметров сублимации фуллерита. Путем измерения скорости испарения пленок С60 непосредственно после их конденсации получена температурная зависимость давления насыщенных паров фуллерита в интервале температур 250 °С – 290 °С. Установлено, что величина скорости сублимации фуллерена, не подвергавшегося воздействию факторов окружающей среды (атмосферный кислород, ультрафиолетовое облучение), существенно выше тех значений, которые известны из литературных источников.

2.  Исходя из модельных представлений о многочастичном характере взаимодействия атомов мишени с бомбардирующими ионами, в основе которых лежит ограничение на величину скорости первичной частицы, предложен критерий реализации парного режима столкновений налетающих ионов с молекулой фуллерена, позволяющий обосновано выбирать сорт и интервалы энергий бомбардирующих частиц для возбуждения в фуллерите тех или иных доминирующих процессов. Впервые обнаружено, что облучение фуллеритовой мишени ионами висмута в режиме парных столкновений ионов с молекулами С60 вызывает значительную эрозию фуллерита в результате суперпозиции термически активируемых процессов испарения и радиационно-ускоренной сублимации молекул С60.

3.  Впервые установлены закономерности формирования дифракционных картин кристаллами металлофуллереновых клатратов. Показано, что наличие примеси в пустотах кристаллической решетки фуллерита приводит к существенному перераспределению интенсивностей рентгеновских отражений, характер и величина которого определяется в основном значением параметра решетки, типом преимущественно сформированной структуры фуллерида, сортом легирующих частиц и коэффициентом заполнения ими пустот кристалла фуллерита.

Практическая ценность полученных результатов

Результаты исследования процессов, протекающих в фуллерите при его облучении потоком низкоэнергетичных ионов висмута, а также выявленные особенности конденсации потоков частиц повышенной энергии могут быть использованы при разработке научно-технических рекомендаций для осуществления целенаправленной модификации фуллерита и синтеза новых материалов на его основе с использованием ионноплазменных методов. Установленные закономерности формирования дифракционных картин кристаллами легированных фуллеритов могут лечь в основу методики качественного и количественного рентгеноструктурного анализа металлофуллереновых клатратов.

Личный вклад соискателя

Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, планировании и проведении экспериментов. В ходе выполнения работы им лично был произведен анализ литературы, отработана методика синтеза одно - и двухкомпонентых пленок системы С60-Bi, проведены теоретические расчеты. Вместе с соавторами публикаций по теме диссертации автор принимал участие в обработке и интерпретации экспериментальных данных, а также при обсуждении полученных результатов и написании научных статей.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждались на таких конференциях:

1. Конференція молодих вчених [«Фізика низьких температур»], (Україна, Харків, 25–27 травня 2004 р.) / Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України. – Х.: ФТІНТ, 2004.

2. V Международная конференция [«Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении»], (Россия, Воронеж, 3–5 окт. 2004 г.).

3. 7 Міжнародна конференція [«Фізичні явища в твердих тілах»], (Харків, 14–15 грудня 2005 р.)

4. IV Международный симпозиум [«Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах»], (Беларусь, Минск, 20–23 июня 2006г.).

5. 6 Всероссийская школа – конференция [«Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)»], (Россия, Воронеж, 14–20 окт. 2007).

6. 2 Міжнародна конференція [„Нанорозмірні системи: будова – властивості - технології”], (Україна, Київ, 21–23 листопада 2007).

7. 8th Biennial International Workshop [“Fullerenes and Atomic Clasters”], (Russia, St. Petersburg, July 2–6, 2007).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях и 6 тезисах конференцій.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 136 страницах. Она состоит из введения, пяти разделов, выводов и списка использованных источников. Работа содержит 43 рисунка и 5 таблиц.

РАЗДЕЛ 1

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1.  Фуллерен как аллотропная форма углерода

Под фуллеренами подразумевают целый класс объемных структур углерода с замкнутой поверхностью с четным, более 20, количеством атомов. Атомы углерода в молекулах фуллеренов расположены на поверхности сферы или сфероида в вершинах гексагонов и пентагонов. Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С60, которая представляет собой полый кластер в виде усеченного икосаэдра с внешним диаметром около 10 Å и внутренним около 4 Å (рис.1.1).

Рис.1.1. Структура молекулы фуллерена С60 [1].

В молекуле С60 атомы углерода расположены на поверхности сферы в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников так, что каждый атом углерода в молекуле С60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника, и принципиально не отличим от других атомов углерода. Валентные электроны каждого атома углерода в молекуле находятся в sp2– гибридизованных состояниях, сходных с состояниями электронов в графите. В структуре молекулы С60 следует различать два типа межуглеродных связей, одна из которых (двойная) является общей стороной двух шестиугольников, а другая (одинарная) является общей стороной пятиугольника и шестиугольника. Вследствие высокой симметрии эта молекула обладает наибольшей стабильностью среди молекул фуллерена и при экстракции из углеродной сажи, полученной в результате электродугового испарения графита в гелиевой атмосфере, фракция молекул С60 является самой многочисленной (около 80–90 % от общего числа фуллеренов).

В конденсированном состоянии такие молекулы формируют молекулярные кристаллы с ГЦК или реже ГПУ структурой (фуллериты) со слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями между молекулами (рис. 1.2) [1–3].

Рис. 1.2. ГЦК – решетка фуллерита [3].

Фуллерит термодинамически нестабилен относительно углерода или алмаза. На фазовой диаграмме углерода (рис. 1.3) существуют только линии, отвечающие межфазным равновесиям графит – алмаз, графит – жидкий углерод, алмаз – жидкий углерод, в то время как линии, соответствующие равновесному сосуществованию фуллерит – графит или фуллерит – алмаз, отсутствуют [1].

Рис. 1.3. Фазовая диаграмма углерода [1].

Согласно данной диаграмме существуют также интервалы температур и давлений, в которых устойчивы три кристаллические модификации углерода: графита, алмаза и особой плотнейшей модификации с металлическими свойствами, устойчивой лишь при очень высоких давлениях. До недавнего времени существование данной металлической модификации углерода было гипотетическим, однако в работах [4] сообщалось об удачной попытке синтеза ГЦК модификации углерода, демонстрирующей свойства, характерные для металлов (рис. 1.4). С обнаружением этой модификации был завершен ряд аллотропных форм углерода, с различной степенью гибридизации электронов в атомах: алмаз (sp3 - гибридизация), графит (sp2), фуллерены и нанотрубки (spn, где 2≤n≤3), карбин (sp1-гибридизация), ГЦК–углерод (делокализованное состояние электронов).

Рис. 1.4. Схематическое изображение кристаллической решетки ГЦК–углерода [4].

Тот факт, что фуллерен в нормальных условиях существует как стабильное вещество, объясняется его кинетической устойчивостью, вплоть до температур 1000 – 1200 К, выше которых наступает заметная деструкция углеродного каркаса молекул С60. Следует отметить, что разрушение молекулы при этом не является термической диссоциацией. Для атомизации молекулы требуется несравненно большее количество энергии 7,4 эВ в расчете на один атом углерода. Деструкция молекул при таких температурах является следствием термодинамической нестабильности твердой фазы фуллерена. Возможно, что именно в связи с этим у кристаллов фуллерита не удается наблюдать жидкую фазу, поскольку температура перехода в жидкое состояние превышает температуру деградации молекул.