СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 2D КРИСТАЛЛОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2019 года по МПК C30B29/36 C30B30/02 B82B3/00 B82Y30/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано для получения нанокомпозитных материалов для наноэлектроники для создания источников питания, работающих в экстремальных условиях.

Уникальные свойства наноматериалов определяются их размерностью. Ранее 2D структурами пренебрегали, поскольку считали невозможными, но после создания графена 2D структуры заняли важное место среди материалов и подверглись изучению по всему миру. Вскоре после получения графена механическим расслоением были предложены способы его получения осаждением из пара и термическим разложением.

Карбид кремния имеет много структурных схожестей с графеном [Sakineh Chabi, Hong Chang, Yongde Xia, Yanqiu Zhu From graphene to silicon carbide: ultrathin silicon carbide flakes. Nanotechnology, 2016, (27), 075602. doi: 10.1088/0957-4484/27/ 7/075602]. Однако карбид кремния относится к слоистым системам с сильным типом химической связи. Его механическое расслоение затруднено из-за высокой энергии связей между слоями 0,527 эВ/атом [Свечников А.Б. Энергии связи между атомными плоскостями в кристаллах со структурой графита. В кн.: Информационно-вычислительные технологии в фундаментальных и прикладных физико-математических исследованиях, 2006: материалы].

Ближайшим техническими решениями к получению 2D структур являются методы получения пленок карбида кремния.

Известен химический способ получения слоев карбида кремния (патент РФ 2087416, МГЖ С01В 31/36, С30В 25/00, опубл. 20.08.1997) осаждением слоев карбида из газовой фазы смеси метилтрихлорсилана и водорода, но он энергозатратен, поскольку требует высоких (1200°С) и низких (-185°С) температур. Также известен способ получения пленок карбида кремния путем лазерного распыления (патент РФ №2350686, МПК С23С 14/28, С23С 14/10, опубл. 27.03.2009), но данный метод сложен, поскольку требуется высокий вакуум (10^-4 Па).

Новым направлением в электрофизике является электроимпульсное разрушение материалов [Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: КНЦ РАН, 1995 г. 276 с]. Известен способ электроимпульсного разрушения материалов [Дмитриев Д.О., Дацкевич С.Ю., Журков М.Ю. Влияние формы и размеров электродов на электроимпульсное разрушение горных пород. Материалы XIX международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии" 15-19 апреля 2013, томский политехнический университет], в котором используется двухэлектродная система с расстояниями между электродами S=100 мм, S=120 мм, S=140 мм; и импульсным напряжением U=600 кВ). Данный метод основан на электрическом пробое разрушаемого материала, поэтому требует больших энергозатрат (энергия импульса составляет 5000 Дж). Эти методы обеспечивают высокую производительность в разрушении, но не рассчитаны на разделение материала вплоть до молекулярных слоев.

Известен способ [Елисеева Н.С. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ.// Молодежь и наука: Сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского. - Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2012.] получения структуры 2D SiC с помощью эпитаксии, которая особенно легко осуществляется, если различие постоянных решеток не превышает 10%. При больших расхождениях сопрягаются наиболее плотноупакованные плоскости и направления. В качестве потенциального материала подложки для выращивания монослоя 2D SiC были исследованы металлические пластинки Mg (0001) и Zr (0001), поскольку различие между постоянными

решеток менее, чем 0,03%. Однако при эпитаксии получаются слои, прочно связанные с подложкой, а для многих технических применений требуются изолированные слои.

Задачей настоящего изобретения была разработка способа формирования изолированного 2D кристалла карбида кремния на основе метода ориентированного разрушения SiC по плоскостям спаянности. В настоящем изобретении использован метод ориентированного расслоения. В данном способе осуществлен переход от макро- технологии к микро- и нано-технологии.

Техническим результатом изобретения является получение изолированных 2D монокристаллов карбида кремния толщиной 10-50 нм.

Технический результат достигается тем, что в способе получения 2D структур карбида кремния на электрод из монокристаллического карбида кремния подается высокое импульсное напряжение, при этом монокристалл разрушается с образованием 2D структур, которые осаждаются на поверхность приемника. Отделение слоев от кристалла по плоскости спаянности происходит при воздействии импульсного электрического поля высокой напряженности (свыше 10⁶ в/см) с импульсами продолжительностью 10-20 мкс со скважностью 3-20. Послойное расслоение с поверхности монокристалла карбида кремния происходит при нормальных условиях (298°К, 10⁵Па) на воздухе, поэтому не требуется создание закрытого реактора.

На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления способа, где 1, 2 - металлические электроды, 3 - микрокристалл карбида кремния, 4 - изолятор. На фиг. 2 приведена электронная микроскопия получаемых 2D кристаллов.

Способ осуществляется следующим образом.

Используется двухэлектродная ячейка со слоистым электродным наконечником 3 из микрокристалла карбида кремния. Второй плоский двуслойный электрод металл-диэлектрик размером 5×5 см, с толщиной

диэлектрика 4 20-100 мкм. Электрически прочный тонкий диэлектрик препятствует электрическому пробою и возникновению разряда, позволяя достигать высокой напряженности поля. Благодаря отсутствию токов пробоя материал не нагревается и не плавится, воздействие осуществляется только полем. Послойное расслоение с поверхности монокристалла карбида кремния происходит в открытом реакторе при нормальных условиях (298°К, 10⁵Па). Приемник 2D кристаллов карбида кремния устанавливается на диэлектрической стороне электрода. Приемник служит для сбора отделившихся от кристалла слоев. В качестве приемника могут быть использованы ориентированные пластины кремния, ситалловые пластины или токопроводящий скотч.

Образование 2D кристаллов контролируется с помощью электронной микроскопии Фиг. 2).

Преимущества метода - расслоение происходит при комнатной температуре и не требует вакуума, поэтому метод является энергосберегающим и отличается высокой производительностью.

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано для получения нанокомпозитных материалов для создания источников питания, работающих в экстремальных условиях. Способ получения 2D структур карбида кремния заключается в подаче на электрод из монокристаллического карбида кремния высокого импульсного напряжения, при этом монокристалл разрушается с образованием 2D структур, которые осаждаются на поверхность приемника. Отделение слоев от кристалла по плоскости спаянности происходит при воздействии импульсного электрического поля высокой напряженности (свыше 10⁶ В/см) с импульсами продолжительностью 10-20 мкс со скважностью 3-20. Послойное расслоение с поверхности монокристалла карбида кремния происходит при нормальных условиях (298°К, 10⁵Па) на воздухе, поэтому не требуется создание закрытого реактора. Техническим результатом изобретения является получение изолированных 2D монокристаллов карбида кремния толщиной 10-50 нм энергоэффективным и высокопроизводительным способом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения 2D структур карбида кремния, заключающийся в воздействии в двухэлектродной ячейке импульсного электрического поля напряженности свыше 10⁶ В/см с продолжительностью импульсов 10-20 мкс и скважностью 3-20 на монокристалл карбида кремния, являющийся наконечником одного из электродов, при нормальных условиях, причем поверхность второго электрода покрыта слоем диэлектрика толщиной 20-100 мкм и на диэлетрическом слое установлен приемник для сбора готовых 2D структур.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемника могут быть использованы или ориентированные пластины кремния, или ситалловые пластины, или токопроводящий скотч.