13.3.2. Проблемы получения и промышленного производства нанотрубок

13.3.2. Проблемы получения и промышленного производства нанотрубок

За последние годы методы производства углеродных нанотрубок заметно улучшились, в результате чего наблюдается как рост производительности внедряемых технологий, так и снижение стоимости продуктов. Понятно, что превращение нанотрубок из интереснейшего объекта научных исследований в полноценные коммерческие продукты требует прежде всего разработки промышленных технологий их производства в достаточно больших количествах и по разумной цене. Кроме того, для практического использования необходимо, чтобы производимые порошки были достаточно однородными. Для многослойных углеродных нанотрубок (MWNT) эта задача практически решена, так как метод синтеза в электрической дуге уже позволяет производить большие объемы порошка по сравнительно невысокой цене. Сложнее обстоит дело с производством гораздо более важных в научном и практическом отношении однослойных углеродных нанотрубок (SWTN), так как синтез в электрической дуге обеспечивает лишь высокую производительность установок, но не гарантирует чистоту продуктов. Наличие углеродистых примесей разного типа в SWTN сейчас является основным препятствием для множества интересных возможностей коммерческого применения. В самое последнее время была разработана и получила большую популярность плазменная модификация метода химического осаждения из газовой фазы (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PEVCD), позволяющая получать большие количества SWTN микронной длины с достаточно высокой чистотой, удовлетворяющей спецификации ряда возможных сфер применения. На рис. 13.3 приведена микрофотография решетки из однослойных углеродных нанотрубок, выращенной по этому методу.

Рис. 13.3. Решетка из однослойных углеродных нанотрубок, выращенная методом химического осаждения из газовой фазы с использованием плазмы

Сообщается, что метод PEVCD позволяет значительно понизить рабочую температуру процесса выращивания нанотрубок за счет того, что активные атомы углерода возникают в плазменной струе, а не под воздействием сверхвысокой температуры (как это имеет место при выращивании химическим осаждением из газовой фазы). Наиболее интересным представляется применение однослойных нанотрубок в электронике, но именно там к их чистоте предъявляются самые строгие требования. В настоящее время высокочистые SWTN коммерчески производят лишь немногочисленные компании, поэтому стоимость порошков остается слишком высокой для широкого применения.

Понятно, что при любом коммерческом использовании нанотрубок в электронике основной технической проблемой станет создание схем из трубок на поверхности пластинок разного типа (из кремния, из кремния на изоляторе и т. п.). При этом трубки должны укладываться с учетом специфической ориентации, что представляет собой сложную проблему. В настоящее время существуют два основных подхода к решению этой задачи. Прежде всего, трубки могут выращиваться на подложке с предварительно распределенными специфическими катализаторами, что позволяет создавать структуры типа показанной на рис. 13.4, внутри которых может быть обеспечен рост трубок в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от нанесенных на участок специфических катализаторов роста). В других случаях требуемая схема может формироваться из неориентированных трубок за счет использования особенностей растворов и т. д.

Рис. 13.4. Выращивание решетки многослойных углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы

Выращивание трубок в вертикальном направлении, уже осуществленное рядом исследователей, имеет особую ценность для создания электронных устройств с так называемой автоэлектронной эмиссией. Классические методики осаждения из газовой фазы дают хорошие результаты в лабораторных условиях, но их трудно реализовать в промышленных масштабах, прежде всего, из-за необходимости использовать высокие температуры (более 800 °C для выращивания SWTN). Это ограничение является весьма серьезным, так как высокотемпературная обработка может стать причиной возникновения дефектов в материале подложки, нанести вред контрольной аппаратуре и т. д. Поэтому сейчас ведутся интенсивные поиски возможностей применения упомянутого выше метода PEVCD для выращивания однослойных углеродных нанотрубок. Многие методики вертикального выращивания наноструктур находятся в стадии разработки, но инженеры и технологии возлагают на них большие надежды.

Существует также подход, при котором наноструктуры не выращиваются, а формируются на подложке горизонтально, то есть осаждением слоев заданной толщины за счет регулирования концентрации растворов и условий осаждения. В развитии таких методик также приходится решать трудные задачи, связанные с очисткой растворов нанотрубок, однородностью распределения структур по большой поверхности подложки, необходимостью создавать сложные паттерны из проводящих нанотрубок и т. д. Производственные процессы при таких методиках могут оказаться излишне долгими и трудными.

Многослойные трубки SWTN уже выпускаются коммерчески многими поставщиками, которые производят их модифицированными методиками осаждения из газовой фазы. Для использования в электронике такие трубки должны быть очищены от примесей металлов (например, элементов групп IA и IIA периодической таблицы, используемых в процессе синтеза) и различных углеродистых соединений. Затем трубки подвергаются солюбилизации и наносятся на поверхность подложек для дальнейшей обработки.