Спосіб виготовлення карбідокремнієвих нановолокон

Спосіб виготовлення карбідокремнієвих нановолокон, що включає газофазне хімічне осадження карбіду кремнію з застосуванням Fe, Co, Ni каталізаторів, який відрізняється тим, що як джерела кремнію та вуглецю застосовують метилтрихлорсилан, а парогазову суміш складають з метилтрихлорсилану та водню в співвідношенні 1:50-1:130, яку при атмосферному тиску направляють в реактор з швидкістю 0,1-0,5л/хв. і в температурному діапазоні 850-1000°С протягом 10-120хв. (19) (21) 20040706357 (22) 30.07.2004 (24) 25.07.2007 (46) 25.07.2007, Бюл. №11, 2007р. (72) Силенко Петро Митрофанович, Шлапак Анатолій Миколайович, Каверіна Світлана Миколаївна, Рагуля Андрій Володимирович, Скороход Валерій Володимирович (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І. М. ФРАНЦЕВИЧА Н АН УКРАЇНИ (56) US 6221154 B1, 24.04.2001 3 79767 Задачею винаходу "Спосіб виготовлення карбідокремнієвих нановолокон" є спрощення процесу виготовлення нановолокнистого карбіду кремнію. Задача досягається шляхом використання в якості джерела вуглецю та кремнію парів метилтрихлорсилану, а процес синтезу карбідокремнієвих нановолокон відбувається при атмосферному тиску із парогазової суміші метилтрихлорсилан водень в співвідношенні 1:50-1:130, що поступає в проточний реактор з швидкістю 0,1-0,5л./хв. в температурному діапазоні 850-1000oС протягом 10120 хвилин. Застосування метилтрихлорсилану (CH3SiCl 3) в якості джерела як вуглецю, так і кремнію значно спрощує процес синтезу нановолокон SiC, тому що спрощується пристрій для дозування та впуску в реактор джерела кремнію та вуглецю в порівнянні з застосуванням двохкомпонентної газової суміші, наприклад SiCl4 та ССl4. Перевагою пропонованого методу в порівнянні з методом-прототипом є також те, що в прототипі використовується осадження нановолокон в вакуумі, що значно ускладнює процес їх виготовлення. Верхня межа (1:130) співвідношення метилтрихлорсилану та водню обумовлена зниженням швидкості синтезу карбідокремнієвих наноструктур, а, отже, збільшенням часу синтезу до 4-5 годин. Нижня межа (1:50) обумовлена економічними міркуваннями - збільшення кількості метилтрихлорсилану в парогазовій суміші призводить до його невиправданих витрат без суттєво го впливу на процес синтезу карбідокремнієвих наноструктур. Температурний діапазон синтезу карбідокремнієвих нановолокон обумовлений тим, що при температурах нижче за 850°С в продуктах синтезу крім нановолокон наявна значна кількість аморфного карбіду кремнію, а при температурах, ви щих за 1000°С крім нановолокон та нанотрубок формуються карбідокремнієві вуса, діаметр яких становить декілька мікрометрів. Час осадження суттєво залежить від температури процесу синтезу: Так, при температурах 9501000°С осадження карбідокремнієвих наноструктур відбувається за 30-10 хвилин, а при 800-850°С - приблизно така сама кількість нанотрубок утворюється за 120-110хв. Як каталізатори використовували порошки Fe, Co, Ni як окремо, так і в різних співвідношеннях. Приклад 1. SiC наноструктури виготовлювали з застосуванням Fe каталізатору. Порошок каталізатору розташовували на керамічній підкладці і вміщували в проточному кварцовому реакторі, діаметр якого становив 20 мм, а довжина – 1 м. Перед початком синтезу SiC нановолокон порошок відновлювали в середовищі водню протягом 20 хв. при температурі 800°С, після чого в реактор впускали парогазову суміш СН 3SіСl3 та Н2 в співвідношенні 1:50. Синтез нановолокон тривав 60 хвилин. 4 Температура осадження дорівнювала 1000°С. Для дослідження використовували растровий електронний мікроскопі (РЕМ) Superprobe - 733. Типовий вигляд синтезованих наноструктур представлений на Фіг.1. З Фіг.1 видно, що нановолокнисті структури мають строго прямолінійну форму та мають однаковий діаметр, який складає 5-10 нанометрів. Звертає на себе увагу той факт, що колонії нановолокон вміщують строго паралельно розташовані одиночні наноструктури, в той же час самі колонії перетинаються в різних площинах. На кінцях нановолокон знаходяться частинки каталізатору. Приклад 2. SiC нановолокна виготовлювали з застосуванням Ni каталізатору при тих же умовах, що і в описаному вище прикладі 1. На Фіг.2 представлено фото дослідженого на скануючому електронному мікроскопі (СЕМ) матеріалу, одержаному при вказаних вище параметрах. Як видно з Фіг.2, продукти синтезу в цьому випадку суттєво відрізняються від попереднього прикладу і мають, в основному, однотипну криволінійну форму. Їх діаметр становить 10-30 нанометрів. Вони переплетені та неоднорідні по діаметру. Приклад 3. Наноструктури синтезували при таких же умовах, як і в Прикладі 1, але в якості каталізатору використовували порошок Со. Як свідчать результати досліджень таких наноструктур (Фіг.3), вони мають суттєво більший діаметр (до 100-150 нанометрів), мають криволінійну форму, багато вузлів, які на фото більш світлі. Приклад 4. Наноструктури синтезували при тому ж складі парогазової суміші, що і в Прикладі 1. Відмінність полягала в тому, що синтез проводили при температурі 850°С, а в якості каталізатору використовували порошок кобальту, так сам, як і в Прикладі 3. Результати дослідження продуктів синтезу на трансмісійному електронному мікроскопі представлені на Фіг.4. На цьому фото зображене карбідокремнієве нановолокно, діаметр якого становить ~20 нанометрів. Видно, що новолокно викривлене та нерівномірне по діаметру. Вищеописані приклади показують, що даний спосіб дає змогу синтезувати нановолокна із карбіду кремнію. Спосіб має суттєві переваги над методом прототипом. Спосіб значно простіший, не потребує багаточасової складної підготовки, значно дешевший за метод, описаний в прототипі, тому що синтез відбувається при атмосферному тискові. Запропонований спосіб дозволяє одержувати нановолокна та нанотрубки необхідних розмірів та форми. Вони мають комплекс унікальних властивостей і можуть успішно використовуватися в умовах підвищених температур, високих частот, агресивного середовища тощо і знайдуть широке застосування в мікроелектроніці, в приладобудуванні та в створенні нових композитних матеріалів на полімерній, металевій та керамічній матрицях. 5 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 79767 6 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601