способ пиролитического выращивания нанокристаллических слоев графита

Формула изобретения

Способ пиролитического выращивания нанокристаллических слоев графита, включающий нагрев лент из углеродной фольги в герметичной водоохлаждаемой камере прямым пропусканием электрического тока и термическое разложение углеводородного реагента, отличающийся тем, что в узком зазоре между двумя параллельными углеродными лентами размещают полированную кремниевую пластину, нагревая ее до температуры 1200-1350°С, а в качестве углеводородного реагента используют метан при давлении в диапазоне от 10 до 30 Торр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения монокристаллических слоистых пленок графита на подложке и может быть использовано для производства приборов оптоэлектроники, а также для получения графена.

Известен способ получения слоев пироуглерода на поверхности углеродных изделий, включающий схему нагрева внешним нагревателем покрываемых изделий в среде углеводородов (Фиалков А.С., Бавер А.И., Сидоров Н.М., Чайкун М.И. Пирографит. «Успехи химии», 1965, т.34, № 1, с.132-153).

К недостаткам известного способа можно отнести преимущественное осаждение пироуглерода на внешнем нагревателе и подвод к поверхности обрабатываемого изделия реакционных продуктов разложения исходного углеводорода, что снижает качество получаемых покрытий.

Другим недостатком является повышенный расход электроэнергии, связанный с необходимостью значительного перегрева внешнего нагревателя относительно обрабатываемых изделий.

Применение данного способа не позволяет получать слои графита с монокристаллической структурой, поскольку образуется достаточно плотный аморфный углерод, пропитывающий поры заготовки.

Известен способ пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги, включающий нагрев ленты и термическое разложение углеводородного реагента на ее поверхности, причем нагрев осуществляется пропусканием электрического тока через участок ленты, проходящий между двумя графитовыми электродами и прижимными элементами при температуре 1800-2000°С и давлении углеводородного реагента от 8 до 50 Торр (по патенту № 2315710, бюл. № 3, опубл. 27.01.10).

Вышеприведенный способ пиролитического уплотнения лент из графитовой фольги наиболее близок по технической сущности к заявляемому способу, поэтому выбран в качестве прототипа.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего способа, выражается в повышении качества пиролитического графита и выращивания нанокристаллических его слоев.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем нагрев лент из графитовой фольги и термическое разложение углеводородного реагента на поверхности лент, нагрев осуществляется пропусканием электрического тока через две параллельные ленты, в зазоре между которыми размещена подложка из механически полированного кремния, причем температуру подложки поддерживают в пределах 1200-1350°С, а давление углеводородного реагента - от 10 до 30 Торр.

В качестве углеводородного агента используется метан СВЧ. Пиролиз метана происходит как на лентах из углеродной фольги, нагретых до существенно более высокой температуры, так и на кремниевой подложке. Специфический характер газотранспортных процессов с учетом крайне малых зазоров между углеродными лентами и кремниевой подложкой, а также влиянием электрического и магнитного полей способствует осаждению на кремниевой подложке нанокристаллического слоистого графита. Полировка поверхностей кремниевой подложки необходима для обеспечения нанокристаллической структуры первично осажденных слоев графита.

Если парциальное давление метана ниже 10 Торр, то его концентрации в атмосфере камеры недостаточно для получения плотного слоя пирографита.

Если поднять парциальное давление метана выше 30 Торр, то на поверхности кремниевой подложки высаживается сажа, что делает выращивание нанокристаллического графита невозможным.

Если температура прогреваемого участка ленты фольги будет ниже 1200°С, то в указанном диапазоне давлений метана заметного осадка пирографита не возникнет.

При превышении температуры свыше 1350°С кремниевая подложка вступает в химическое взаимодействие с окружающими ее углеродными лентами и начинается ее частичное оплавление.

Схема практического осуществления заявляемого способа иллюстрируется рисунком.

В зазоре между двумя параллельными лентами 1 и 2 из углеродной фольги размещена пластина 3 из полированного кремния. Ток подается к лентам 1 и 2 через графитовые электроды 4 и 5. На поверхностях пластины 3 постепенно вырастают слои нанокристаллического графита 6 и 7.

Пример 1

Между двумя графитовыми электродами 4 и 5 закрепили две ленты из углеродной фольги 1 и 2 толщиной 200 мкм, шириной 30 мм и длиной 160 мм каждая с зазором 1 мм. В зазоре установили полированную пластину 3 из кремния КСД-3 толщиной 200 мкм и размерами 15×30 мм. После герметизации и откачки реакционной камеры в нее напустили метан квалификации СВЧ до давления 15 Торр и включили нагрев путем пропускания переменного тока через ленты 1 и 2. Температура пластины составила 1270±20°С. Длительность цикла нагрева составила 2,5 часа. После извлечения пластины 3 на ее поверхностях обнаружены блестящие пленки толщиной 80±20 мкм каждая. Рентгеновская съемка показала монокристаллическую структуру поверхности пленок с преимущественной ориентацией поверхности (100). Электронно-микроскопическое исследование продемонстрировало, что слои осажденного графита сформированы отдельными частицами с характерным размером от 30 до 50 нм. Рентгенофазовый анализ показал присутствие в выращенном графите кремния в количестве 5 ат.%.

Пример 2

То же, что и в примере 1, но давление метана в реакционной камере поддерживали на уровне 7 Торр. После извлечения кремниевой пластины на ней обнаружена аморфная пленка желтого цвета, легко удаляемая органическими растворителями.

Пример 3

То же, что и в примере 1, но давление метана в реакционной камере поддерживали на уровне 45 Торр. Поверхность кремниевой пластины покрыта плотным слоем сажи. После удаления сажи следов кристаллического слоя не обнаружено.

Пример 4

То же, что и в примере 1, но температура кремниевой пластины поддерживалась на уровне 1200±20°С. После извлечения пластины 3 на ее поверхностях обнаружены блестящие пленки толщиной 65±20 мкм каждая. Рентгеновская съемка показала монокристаллическую структуру поверхности пленок с преимущественной ориентацией поверхности (100).

Пример 5

То же, что и в примере 1, но температура кремниевой пластины поддерживалась на уровне 1350±20°С. После извлечения пластины 3 на ее поверхностях обнаружены блестящие пленки толщиной 105±20 мкм каждая. Рентгеновская съемка показала монокристаллическую структуру поверхности пленок с преимущественной ориентацией поверхности (100).

Пример 6

То же, что и в примере 1, но температура кремниевой пластины поддерживалась на уровне 1100±20°С. На поверхности кремниевой пластины обнаружен тонкий слой осадка желто-серого цвета, не имеющий металлического блеска.

Пример 7

То же, что и в примере 1, но температура кремниевой пластины поддерживалась на уровне 1380±20°С. Извлеченная из реакционной камеры кремниевая пластина подплавлена по краям и не отделяется от нижней ленты фольги, внешние поверхности темно-серые и неровные.