СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОТРУБОК InSb ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2021 года по МПК C01G15/00 C30B30/02 B82B3/00 B82Y40/00 C30B29/40 

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к методам ориентированного расслоения монокристаллов, и может быть использовано для получения материалов для наноэлектроники при создании инфракрасных сенсоров.

InSb относится к материалам, широко используемым в нанотехнологии. Нанотрубки InSb требуются для миниатюризации устройств ИК-оптики.

После появления углеродных нанотрубок, получаемых из графита, имеющего Ван-дер-Ваальсову связь между слоями, возник интерес к получению нанотрубок из других материалов с другими типами связи. Материалы А3Б5 относятся к слоистым прекурсорам с ковалентным типом связи. Антимониды, относящиеся к материалам А3Б5, отличаются малой шириной запрещенной зоны, и низкой температурой плавления, что позволяет использовать их в электронике низкой мощности и датчиках ИК излучения. В теоретической работе (Abdul Jalila, Simeon Agathopoulosb, Noor Zamin Khan, Applied Surface Science, 2019, p. 550-557) впервые показана возможность получения нанотрубок InSb в широком диапазон диаметров, которые имеют ширину запрещенной зоны 1,29 эВ и менее, а также высокую подвижность носителей, что делает их перспективной платформой для устройств ИК оптики. Однако, данные об экспериментальном получении отсутствуют, что объясняется низкой температурой плавления. Методы получения нанотрубок InSb неизвестны.

Ближайшими техническими решениями к получению нанотрубок InSb являются методы получения 2D кристаллов InSb, а также методы получения нанотрубок других соединений А3Б5.

Известен способ получения нанотрубок InAs/GaAs методом селективного травления напряженной гетеропленки [Принц В.Я., Селезнев В.А., Гутаковский А.К. Физика полупроводников, 1999, World scientific ISBN 981-02-4030-9 (CD)], но он экологически вреден, поскольку требует проведения химического травления жертвенного слоя. Кроме того, создание напряженной пленки является энергоемким процессом.

Также известен способ получения 2D InSb методом молекулярно-лучевой эпитаксии на кончике нанонити [Pan D., Fan D.X., Kang N. Freestanding Two-Dimensional Single-Crystalline InSb Nanosheets, NanoLetters 2016, p. 834-841], но выращенные эпитаксией фрагменты 2D кристаллов совершенно плоские и не проявляют свойства сворачиваться в трубки.

Одним из методов для расслоения слоистых прекурсоров с Ван-дер-Ваальсовой связью между слоями используется постоянное электрическое поле (Xiaogan Liang, Allan S.P. Chang, Yuegang Zhang, Electrostatic Force Assisted Exfoliation of Prepatterned Few-Layer Graphenes into Device Sites, NanoLetters 2009, p. 467-472). Величина используемого поля ограничена возможностью электрического пробоя, поэтому данный метод не может применяться для слоистых прекурсоров с ковалентной связью.

Новым направлением в физике конденсированного состояния 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.

Локальное применение электроимпульсного метода позволило получать 2D кристаллы карбида кремния, являющегося слоистым прекурсором с ковалентным типом связи (Долгих И.И., Авдеев Д.В., Битюцкая Л.А., Куликова Т.В., Тучин А.В., Способ получения 2D кристаллов карбида кремния электроимпульсным методом, Патент РФ №2678033).

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ, описанный в работе (Конденсированные среды и межфазные границы, 2018, т. 20, №2). Для импульсного воздействия плазмой на слоистый материал использовался искровой разряд. Для исключения плавления и окисления использовали холодную плазму барьерного разряда. Разряд производился в сухом воздухе при нормальных условиях между электродами, выполненными из исследуемых материалов. В качестве диэлектрика для получения барьерного разряда использовалась слюда и ситалл. Импульсы напряжением в 20 кВ и продолжительностью 10 мкс получали по схеме катушки Румкорфа. Форма импульсов контролировалась осциллографом с помощью емкостного датчика. Образующиеся в разряде частицы оседали на скотч, расположенный в пространстве под электродами. В качестве исходных материалов использовались монокристаллические SiC и InSb, а также поликристаллические Sb и Bi. При этом формирование нанотрубок InSb не наблюдалось.

Задачей настоящего изобретения была разработка способа формирования нанотрубок InSb на основе метода ориентированного разрушения монокристалла InSb по плоскостям спаянности. В настоящем изобретении использован метод ориентированного расслоения. В данном способе осуществлен переход от макро-технологии к микро- и нанотехнологии.

Техническим результатом изобретения является разработка способа получения при нормальных условиях нанотрубок InSb диаметром 50-100 нм и длиной 2-4 мкм.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нанотрубок InSb электроимпульсным методом ведут воздействие в двухэлектродной ячейке при нормальных условиях импульсного электрического поля напряженности ≥10⁶ В/см с продолжительностью импульсов 10-20 мкс со скважностью, равной 2, и длительностью спада <1 мкс на монокристалл InSb, являющийся наконечником одного из электродов, причем поверхность второго электрода покрыта слоем диэлектрика, толщиной 20-100 мкм и на диэлетрическом слое установлен приемник для сбора готовых нанотрубок InSb. В жестких условиях искрового разряда происходит самоорганизация отслоившихся от электрода 2D структур InSb в нанотрубки по механизму схожему с образованием в разряде фуллеренов и углеродных нанотрубок.

На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления способа, где 1, 4 - металлические электроды, 2 - монокристалл InSb, 3 - изолятор. На фиг. 2 приведена электронная микроскопия получаемых нанотрубок InSb.

Способ осуществляется следующим образом.

Используется двухэлектродная ячейка со слоистым электродным наконечником 2 из монокристалла InSb (фиг. 1).

Второй плоский двуслойный электрод металл-диэлектрик размером 10×10 см, с толщиной диэлектрика 3, равной 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 InSb происходит в открытом реакторе при нормальных условиях (298 К, 10⁵ Па). Приемник нанотрубок устанавливается на диэлектрической стороне электрода. Приемник служит для сбора нанотрубок, возникших в результате сворачивания слоев, отделившихся от кристалла. В качестве приемника могут быть использованы ориентированные пластины кремния, ситалловые пластины или токопроводящий скотч.

Образование нанотрубок контролируется с помощью электронной микроскопии (Фиг. 2).

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

Пример реализации способа: Монокристалл InSb (2) фиксируют на наконечнике металлического электрода (1) и помещают его на поверхность другого металлического электрода (4), покрытого тонким полимерным изолятором (3). На электроды подаются импульсы высокого напряжения, так чтобы напряженность поля между электродами была 10⁶ В/см, импульсы имеют продолжительность 10-20 мкс, скважность, равную 2, и длительность спада <1 мкс. При подаче импульсов происходит расслоение монокристалла InSb в виде отделения тонких слоев, которые в результате самоорганизации сворачиваются в нанотрубки диаметром 50-100 нм и длиной 2-4 мкм, оседающие на приемнике - токопроводящем скотче.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано в наноэлектронике при изготовлении инфракрасных сенсоров. На монокристалл InSb, являющийся наконечником одного из электродов, воздействуют импульсным электрическим полем в двухэлектродной ячейке при нормальных условиях при напряженности электрического поля, равной или более 106 В/см, продолжительности импульсов 10-20 мкс, длительности спада менее 1 мкс и скважности, равной 2. На поверхность второго электрода, покрытого слоем диэлектрика толщиной 20-100 мкм, устанавливают приемник для сбора готовых самоорганизующихся нанотрубок InSb, выполненный из ориентированных кремниевых пластин, ситалловых пластин или токопроводящего скотча. Полученные нанотрубки InSb имеют диаметр 50-100 нм и длину 2-4 мкм. 2 ил.

Способ получения самоорганизованных наночастиц InSb электроимпульсным методом, заключающийся в воздействии на монокристалл InSb импульсным электрическим полем в двухэлектродной ячейке при нормальных условиях, отличающийся тем, что указанное воздействие ведут при напряженности электрического поля, равной или более 106 В/см, продолжительности импульсов 10-20 мкс, длительности спада менее 1 мкс и скважности, равной 2, монокристалл InSb является наконечником одного из электродов, а поверхность второго электрода покрыта слоем диэлектрика толщиной 20-100 мкм, на котором устанавливают приемник для сбора готовых самоорганизующихся нанотрубок InSb, выполненный из ориентированных кремниевых пластин, или ситалловых пластин, или токопроводящего скотча.