Основные типы нанообъектов и наносистемы на их основе

Алмазные пленки, выращиваемые в метастабильных условиях из паровой фазы (Chemical Vapour Deposition , CVD ) за последнее десятилетие , привлекли очень большое внимание технологов и исследователей. В настоящее время удается наращивать пленки алмаза на различные подложки в установках, где для создания газовой плазмы используют накаленные металлические нити и явление ионизации на их поверхности, СВЧ-разряд или даже факел пламени. Площадь пленки ограничена лишь размерами установки . Наряду с действительно алмазными пленками во многих опубликованных работах описаны углеродные алмазоподобные пленки (Diamond-Like Carbon, DLC) которые также представляют серьезный интерес в качестве износоустойчивых покрытий. Целью данной научной работы является обобщение данных по проблеме получения и исследования структуры и свойств алмазоподобных пленок углерода. Основное внимание обращено на исследование процессов фазообразования в пленках углерода, полученных в условиях облучения ионами низких энергий; аппаратуру и методы получения пленок, исследования их свойств; на некоторые аспекты практического применения.

Алмазоиды Алмазоиды – это углеводороды, в которых атомы углерода образуют тетраэдрическую пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе[8]. Уникальные свойства алмаза издавна привлекали внимание ученых. Во- первых, благодаря тому, что каждый атом углерода в кристаллической решетке алмаза связан с четырьмя другими атомами прочными ковалентными связями C-C, алмаз обладает феноменальной прочностью. Он способен выдерживать давление порядка 1050 ГПа и температуру свыше 1800°С. Во-вторых, этот драгоценный кристалл состоит из атомов углерода – довольно распространенного на Земле элемента, входящего также в состав нефти, природного газа, древесины, угля, графита и пр. В итоге разработаны методы получения искусственных алмазов из дешевых углеродсодержащих соединений. С развитием нанотехнологий возрос интерес к получению алмазных частиц нанометрового размера и возникла идея существования алмазоидов – мельчайших кирпичиков, из которых состоит кристалл макроскопического алмаза, полностью повторяющий его тетраэдрическую структуру. Такие элементарные кирпичики-молекулы получили название: адамантана (C10H16), диамантана (C14H20) и триамантана (C18H24) (рис. I.23). Предполагалось, что любой объект, изготовленный из Рис. I.23. Структура алмазоидов алмазоидов, будет иметь жесткость гораздо 34 больше, чем аналогичный из стали, более высокую температуру плавления, и будет гораздо легче аналогов из других материалов. Долгое время эти соединения считались гипотетическими молекулами, т.к. их нельзя было ни выделить из окружающей среды, ни получить методами термохимического синтеза. Но в 1957 они были обнаружены в природе в сырой нефти. Благодаря характеристикам, близким к алмазу, алмазоид имеет широкий спектр применения в различных областях жизнедеятельности человека. Это, прежде всего, микро- и наноэлетроника, медицина, машиностроение, металлообработка, двигателестроение, авиастроение, транспорт. Рассмотрим вкратце некоторые из них. Наноалмаз и алмазоидные пленки имеют широкие перспективы применения в различных устройствах электроники, MEMS и NEMS - устройствах, полевых транзисторах, электронно-лучевых устройствах и оптических компьютерах. Одним из основных современных применений наноалмазов является полировка электронных и оптических материалов для электроники, радиотехники, оптики, медицины, машиностроения, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалмазов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность твердых тел любой геометрической формы, не имеющую дефектов и дислокаций, с высотой шероховатости рельефа 2-8 нм. Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных масел, абразивных инструментов, полимерных композитов, резин и каучуков, систем магнитной записи. Введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы увеличивает их прочность и износостойкость. “Алмазные“ шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам температур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Севера, и в жарких пустынях. Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждающих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличивает ресурс работы моторов и трансмиссий. Алмазоид является первым претендентом в списке материалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены медицинские наноинструменты и нанороботы (рис. I.24). Поскольку их деятельность будет производиться, в основном, внутри тела, необходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима с тканями и клетками организма. Известно, что обычный алмаз отличается высокой биосовместимостью по сравнению с другими веществами. Клинические Рис. I.24. Медицинский наноробот, выполненный из алмазоида 35 испытания сравнительно грубой алмазной поверхности протезов и имплантантов показали, что она химически инертна, нетоксична для клеток, воспринимается лейкоцитами как “своя” и не вызывает воспалительных или патогенных процессов. Вероятно, благодаря своим уникальным характеристикам, алмазоид станет универсальным и дешевым материалом XXI века

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Из проведенного выше рассмотрения структуры, свойств и методов получения алмазоподобных углеродных пленок видно, что они могут быть выделены в отдельный класс материалов, обладающих широким диапазоном свойств, которые уже в настоящее время обеспечивают возможность достаточно успешного применения таких пленок. Управляя структурой пленок с помощью изменения условий осаждения (энергии ионов, состава потока, температуры подложек и др.), можно получать углеродные материалы с заданными свойствами в диапазоне свойства алмаза – свойства графита. В тоже время представляет большой научный и практический интерес выяснение условий получения различных модификаций углерода, как известных, так и гипотетических, в чистом виде.

Несмотря на обнадеживающие результаты, достигнутые при использовании различных методов ионно-плазменного осаждения для получения алмазоподобных пленок, в настоящее время еще нет оснований считать, что проблема получения слоев с алмазными свойствами решена. Можно говорить лишь о преимуществах того или иного метода в решении конкретных практических задач. Так, плазменные методы осаждения обеспечивают большие скорости роста пленок и возможности покрывать большие площади. Однако эти методы не обеспечивают оптимальные условия конденсации однофазных алмазоподобных слоев, что реализуется в ионно-лучевых методах осаждения.

Анализ имеющихся экспериментальных данных позволяет установить общие закономерности структурообразования алмазоподобных пленок в условиях конденсации частиц повышенной энергии. На основании этого были предложены возможные механизмы структурообразования в таких условиях. Однако к настоящему времени нет полного понимания всего комплекса процессов, протекающих при формировании структуры конденсируемых пленок углерода.

Несмотря на то, что современный уровень исследований условий получения и свойств алмазоподобных конденсатов является по сути начальным, уже можно сделать определенные выводы о практическом использовании таких пленок и перспективах их дальнейшего применения. В работах [6, 7] сообщалось о повышенной механической стойкости изделий, покрытых алмазоподобной пленкой. Этими же авторами на основе алмазоподобного конденсата были созданы полупроводниковые приборы с хорошими характеристиками. Перспективность использования сверхтвердых углеродных пленок для изготовления абразивного инструмента для финишной обработки деталей было показана в работе [138]. Надежные защитные свойства углеродных пленок при нанесении их на поверхности окисляющихся в атмосфере окон лазеров были продемонстрированы авторами работы [69]. Большой интерес вызывают просветляющие свойства алмазоподобных пленок, наносимых на оптические элементы лазерной техники как обычной [83], так и высокой мощности [108].

Эти далеко не полные предварительные результаты подтверждают представления о возможностях практического применения алмазоподобных пленок углерода как нового перспективного материала для различных областей науки и техники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Ч. Пул-мл., Ф. Оуэнс. Нанотехнологии, 3-е изд. – М.: Техносфера, 2007. – 376 с.
2. Л. Фостер. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. – М.: Техносфера, 2008. – 352 с.
3. И.П. Суздалев. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и на- номатериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с.
4. Р.А. Андриевский,  А.В. Рагуля.  Наноструктурные  материалы.  Учебное  пособие. –
5. М.: Издательский центр «Академия», 2005 – 192 с.

 

6. Дерягин Б. В., Федосеев Д. В. Рост алмаза и графита из газовой фазы. М., Наука, 1977, 116 с.
7. Дерягин Б. В., Спицын Б. В., Буйлов Л. Л. и др. Синтез алмаза на неалмазных подложках. – Докл. АН СССР, 1976, т. 231, №2, с. 333-335.
8. Балаков А.В., Коншина Е.А. Способы получения и свойства углеродных алмазоподобных пленок. – Оптико-механ. пром-сть, 1982, №9, с. 52-59.
9. Технология тонких пленок. Справочник. М., Сов. Радио, 1977, с. 9-162.