Разработка основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала и металлоуглеродных нанокомпозитов на основе полиакрилонитрила и солей металлов (Cu, Fe, Co) - Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Разработка основ технологии получения углеродного нанокристаллического материала и металлоуглеродных нанокомпозитов на основе полиакрилонитрила и солей металлов (Cu, Fe, Co) Специальность 05.27.06: Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Работа выполнена в Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» Научный руководитель: кандидат технических наук, Козлов Владимир ВалентиновичРазвитие электроники требует новых подходов для создания элементов, с размером менее 0,1 мкм и технологий (нанотехнологий), в которых активно применяют нанокомпозитные и новые углеродные материлы, к которым относятся металлоуглеродные нанокомпозиты (МУНК) и углеродный нанокристаллический материал (УНМ). изучить кинетику и механизм химических превращений в нанокомпозитах на основе полиакрилонитрила и соединений металлов (FECL3, COCL2, CUCL2, Cu(CH3COO)2, Fe(C5H5)2) под действием ИК-нагрева в зависимости от атмосферы отжига, температуры нагрева, продолжительности термообработки и концентрации соли металла в растворе; с целью изучения механизмов переноса заряда (протонной проводимости) в условиях изменяемого химического состава и структуры, и влияния на них условий процесса получения углеродного нанокристаллического материала провести моделирование с помощью полуэмпирического квантово-химического расчета в рамках модели ионновстроенного ковалентно-циклического кластера одноатомного слоя углеродного материла (УМ) на основе полиакрилонитрила, подвергнутого ИК-нагреву; на основе результатов исследования кинетики, структуры, физико-химических и электрофизических свойств, а также анализа методов получения разработать основы технологии получения углеродного нанокристаллического материала и металлоуглеродных нанокомпозитов на основе полиакрилонитрила и соединений металлов (FECL3, COCL2, CUCL2, Cu(CH3COO)2, Fe(C5H5)2) с необходимыми свойствами и структурой в виде пленок и порошков под действием ИК-нагрева; При температуре ИК-нагрева 1200°С межплоскостное расстояния в углеродном нанокристаллическом материале на основе полиакрилонитрила, подвергнутого ИК-нагреву, приближаются к значению d002=3,38 ?; б)показано, что на электропроводность углеродного нанокристаллического материала и нанокомпозитов Cu/C, Fe/C, Co/C влияет температура, атмосфера и продолжительность ИК-обработки, природа вводимых металлов и их концентрация.Первая глава диссертации представляет литературный обзор по методам получения углеродных материалов и металлоуглеродных композитов, физико-химическим свойства углеродных материалов и металлоуглеродных нанокомпозитов, существующие представления о механизме процессов превращений в полиакрилонитриле (ПАН) и композитах на основе ПАН и солей металлов при термической обработке с резистивным нагревом.Вторая глава диссертации посвящена разработке методики получения углеродного нанокристаллического материала (УНМ) и нанокомпозитов на основе ПАН, подвергнутого ИК-нагреву, а также изучению структуры и свойств УНМ. В работе использовался полиакрилонитрил, полученный окислительно-восстановительной полимеризацией в статическом режиме по окислительно-восстановительной методике, позволяющей получать полимер с молекулярной массой 100-150 тыс. ат.ед., что позволяет получать пленки УНМ и МУНК на его основе, обладающие хорошей адгезией к подложке. Процесс проводился при фиксированной скорости нагрева, варьировалась продолжительность обработки при финальной температуре и температура ИК-нагрева. То есть в этом интервале температур создается восстановительная среда из атомарного и молекулярного водорода, что является необходимым условием для дальнейшего получения металлоуглеродных нанокомпозитов на основе ПАН методом ИК-нагрева. Установлено также, что с повышением температуры ИК-нагрева в интервале температур получения 600 ? 1200°С уменьшаются межплоскостные расстояния d002 от 3,56 до 3,42 A, с одновременным ростом размера областей когерентного рассеяния кристаллитов Lc от 18 до 37 A.Разработаны основы технологии получения пленок углеродного нанокристаллического материала и металлоуглеродных нанокомпозитов Cu/C, Fe/C, Co/C на основе полиакрилонитрила и соединений Cu, Fe, Co, заключающиеся в следующем: выбор исходных реактивов, их смешивание, растворение, нанесение на подложку, сушка пленок, двустадийная обработка в реакционной камере установки импульсного фотонного отжига, контроль электрофизических параметров. Впервые получены под действием ИК-нагрева углеродный нанокристаллический материал и нанокомпозиты Cu/C, Fe/C, Co/C на основе полиакрилонитрила и солей металлов Cu, Fe, Co с размером частиц металла d<100 нм равномерно распределенных в углеродной матрице. Установлено методом масс-спектроскопии, что при получении углеродного нанокристаллического материала на основе полиакрилонитрила в вакууме выделяются H, H2, CH4, NH3, H2O, CO, C3H6, C2H4=NH и CO2.