Изобретение относится к наноструктурам и способам инициирования локального взрыва. Изобретение может быть использовано в микро- и наноэлектронике для создания интегральных схем и микроэлектромеханических систем. Согласно первому объекту изобретения способ инициирования локального взрыва углеродных нанотрубок заключается в воздействии на них электрическим током в присутствии окислителя. Согласно второму объекту изобретения способ инициирования локального взрыва углеродных нанотрубок заключается в пропускании через углеродные нанотрубки, размещенные в межэлектродном пространстве, электрического тока в присутствии окислителя. Устройство для инициирования локального взрыва, используемое в вышеуказанных способах, может быть изготовлено путем формирования на диэлектрической подложке электродов и углеродных нанотрубок, размещенных между ними, с возможностью пропускания через них электрического тока. Устройство для инициирования локального взрыва содержит диэлектрическую подложку с размещенными на ней электродами, соединенными с источником тока, и углеродные нанотрубки, размещенные между электродами.

[0001] Способ инициирования локального взрыва углеродных нанотрубок, заключающийся в воздействии на них электрическим током в присутствии окислителя.

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что окислитель содержится в структуре углеродных нанотрубок.

[0003] Способ по п.1, отличающийся тем, что окислитель содержится в среде, окружающей углеродные нанотрубки.

[0004] Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют переменным электрическим током.

[0005] Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют постоянным электрическим током.

[0006] Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют импульсным электрическим током.

[0007] Способ по п.1, отличающийся тем, что направления течения тока перпендикулярно ориентации углеродных нанотрубок.

[0008] Способ инициирования локального взрыва углеродных нанотрубок, заключающийся в пропускании через углеродные нанотрубки, размещенные в межэлектродном пространстве, электрического тока в присутствии окислителя.

[0009] Способ по п.8, отличающийся тем, что окислитель содержится в структуре углеродных нанотрубок.

[0010] Способ по п.8, отличающийся тем, что окислитель содержится в среде, окружающей углеродные нанотрубки.

[0011] Способ по п.8, отличающийся тем, что воздействие осуществляют переменным электрическим током.

[0012] Способ по п.8, отличающийся тем, что воздействие осуществляют постоянным электрическим током.

[0013] Способ по п.8, отличающийся тем, что воздействие осуществляют импульсным электрическим током.

[0014] Способ по п.8, отличающийся тем, что направление течения тока перпендикулярно ориентации углеродных нанотрубок.

[0015] Способ изготовления устройства для инициирования локального взрыва, заключающийся в формировании на диэлектрической подложке электродов и углеродных нанотрубок, размещенных между ними с возможностью пропускания через них электрического тока.

[0016] Способ по п.15, отличающийся тем, что углеродные нанотрубки формируют ориентированными перпендикулярно направлению пропускания электрического тока.

[0017] Способ по п.15, отличающийся тем, что в формируют структуру углеродных нанотрубок с содержанием окислителя.

[0018] Устройство для инициирования локального взрыва, содержащее диэлектрическую подложку с размещенными на ней электродами, соединенными с источником тока, и углеродные нанотрубки, размещенные между электродами.

[0019] Устройство по п.18, отличающееся тем, что углеродные нанотрубки ориентированы перпендикулярно направлению пропускания электрического тока.

[0020] Устройство по п.18 или 19, отличающееся тем, что в структуре углеродных нанотрубок содержится окислитель.

Изобретение относится к наноструктурам и способам инициирования локального взрыва. Изобретение может быть использовано в микро- и наноэлектронике для создания интегральных схем и микроэлектромеханических систем, которые, в свою очередь, могут быть использованы в качестве предохранителей, переключателей, детонаторов, систем поджига в двигателях внутреннего сгорания и в системах средств защиты информации.

В настоящее время известен способ инициирования воспламенения/взрыва углеродных нанотрубок, описанный в патенте США № 7025840 (опубл. 11.04.2006 г.). Указанный способ включает формирование отделённых от подложки, связанных в жгуты низкой плотности одностенных углеродных нанотрубок и воздействие на них оптическим излучением, например лампой с широким спектром длин волн или лазером.

Этот способ имеет ряд существенных недостатков. Он не позволяет инициировать взрыв многостенных вертикально и горизонтально ориентированных или полностью разориентированных, плотно и слабо упакованных, связанных с подложкой углеродных нанотрубок. При осуществлении этого способа условия инициирования взрыва не воспроизводимы, и также процесс взрыва не управляем в связи с неповторимостью морфологических и геометрических параметров массивов углеродных нанотрубок. Процесс дорогостоящий в связи со сложностью и дороговизной получения одностенных углеродных нанотрубок. В связи с необходимостью отделять массивы углеродных нанотрубок от подложки сложно создавать конкретные устройства, в которых бы использовалось явление воспламенения/взрыва. Воздействие на углеродные нанотрубки оптическим излучением при осуществлении этого способа ограничивает его применение с точки зрения дистанционного управления, т.к. он может быть реализован только при нахождении массива углеродных нанотрубок вблизи источника света.

В последующем определим понятия локального взрыва - это быстрое выделение энергии в ограниченном (локальном) объеме, связанное с внезапным изменением состояния вещества и переходом его из твёрдотельного в плазменное и далее в газообразное. Локальность определяется микро- или нанообъемами. Под микрообъёмом понимается объём от 100 до 0,1 мкм ³ . Под нанобъемом понимается объём, меньший, чем 100 нм ³ .

Задачей настоящего изобретения является организация взрывного процесса в приложениях микро и нано- технологий и создание надежного технологического инструмента для управления взрывным процессом в локальных микро- и нанообъёмах.

Технический результат заключается в расширении спектра видов взрываемых нанотрубок (одно- и много стенных, вертикально и горизонтально ориентированных и полностью разориентированных, плотно и слабо упакованных, связанных с подложкой или отделённых от неё), создании возможности управления взрывным процессом, повышение воспроизводимости условий инициирования взрыва, упрощение конструктивного выполнения устройств для инициирования локального взрыва, уменьшение удельного энергопотребления.

Для достижения вышеуказанного технического результата по первому объекту изобретения способ инициирования локального взрыва/воспламенения углеродных нанотрубок заключается в воздействии на них электрическим током. Для достижения вышеуказанного технического результата по второму объекту изобретения способ инициирования локального взрыва/воспламенения углеродных нанотрубок заключается в воздействии на них электрическим током в присутствии окислителя.

В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту изобретения электрический ток пропускают через углеродные нанотрубки, размещенные в межэлектродном пространстве. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту изобретения окислитель содержится в структуре углеродных нанотрубок. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту изобретения окислитель содержится в среде, окружающей углеродные нанотрубки. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту воздействие осуществляют переменным электрическим током. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту воздействие осуществляют постоянным электрическим током. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту воздействие осуществляют импульсным электрическим током. В частных случаях выполнения изобретения по первому и второму объекту направление течения тока перпендикулярно ориентации углеродных нанотрубок.

Для достижения вышеуказанного технического результата по третьему объекту изобретения способ изготовления устройтсва для инициирования локального взрыва заключается в формировании на диэлектрической подложке электродов и углеродных нанотрубок, размещенных между ними, с возможностью пропускания через них электрического тока. В частных случаях выполнения изобретения по третьему объекту изобретения углеродные нанотрубки ориентированы перпендикулярно направлению пропускания электрического тока. В частных случаях выполнения изобретения по третьему объекту изобретения в структуре углеродных нанотрубок содержится окислитель.

Для достижения вышеуказанного технического результата по четвертому объекту изобретения устройство для инициирования локального взрыва, содержащее диэлектрическую подложку с размещенными на ней электродами, соединенными с источником тока, и углеродные нанотрубки, размещенные между электродами. В частных случаях выполнения изобретения по четвертому объекту изобретения углеродные нанотрубки ориентированы перпендикулярно направлению пропускания электрического тока. В частных случаях выполнения изобретения по четвертому объекту изобретения в структуре углеродных нанотрубок содержится окислитель.

В отличие способа в заявляемом изобретении предложен более эффективный способ введения энергии через электрические контакты в структуру нанотрубок, что позволяет управлять процессом взрыва и уменьшить энергопотребление.

Изобретение поясняется чертежами, где

На фиг. 1 - взрыв массива многостенных, вертикально ориентированных, плотно упакованных, связанных с подложкой углеродных нанотрубок при воздействии на них импульсным электрическим током непосредственно через выводы источника тока (зонды).

На фиг. 2 - вид сверху образцов структуры Ti/SiO ₂ /Si: (a) Ti электроды на подложке Si/SiO ₂ (оптическая микроскопия), (b) массивы углеродных нанотрубок, полученные на поверхности Ti/SiO ₂ /Si структуры (растровая электронная микроскопия).

На фиг. 3 - массивы углеродных нанотрубок, синтезированные методом осаждения из паровой фазы (CVD методом) с использованием р-ксилола и летучего катализатора (ферроцен): (а) - внешний вид массива углеродных нанотрубок (рентгеновская электронная микроскопия (РЭМ); (b), (d) - структура углеродных нанотрубок на просвет (ПЭМ); с - спектр комбинационного рассеяния массива углеродных нанотрубок.

На фиг. 4 - вид массивов углеродных нанотрубок на поверхности Ti/SiO ₂ /Si структуры (РЭМ): (а)- вид в аксонометрии, (b)- вид поверхности Ti электродов.

На фиг. 5 - кинетика развития взрыва (первая и вторая вспышка).

На фиг. 6 - кинетика развития взрыва (третья вспышка).

На фиг. 7 - геометрия зон воспламенения: (а) - фото участка образца после окончания процесса воспламенения (РЕМ), (b) - графическое представление зон воспламенения.

Изобретение осуществляется следующим образом. Массивы углеродных нанотрубок желаемой структуры синтезируют на подложке известными способами [Г.Б. Сергеев, Нанохимия. 2-е изд, М., КДУ, 2007, 336 л.]

Например, подложка может быть выполнена кремниевой, а углеродные нанотрубки получены методом химического осаждения из паровой фазы (CVD метод). Непосредственно на углеродные нанотрубки 1 подаётся импульсное напряжение через вольфрамовые зонды 2. Подаваемое напряжение увеличивается от 0 до 30 В с шагом 2В. При напряжении ~ 4В массивы углеродных нанотрубок взрываются. В межзондовом пространстве появляется яркая вспышка света, которая локализуется вокруг зондов (фиг. 1, 2).

Массивы углеродных нанотрубок могут быть сформированы на диэлектрической подложке 3 (фиг. 3), на которой сформированы встречно-штыревые электроды 4 с размещением углеродных нанотрубок 1 в межэлектродном пространстве. Напряжение от источника питания подаётся с помощью двух вольфрамовых зондов на электроды 4 одноштыревых образцов и разворачивается от 0 В со скоростью 1 В/с. При подаче напряжения на электроды большая часть тока протекает через массив углеродных нанотрубок, расположенных в межэлектродном пространстве, в данном примере перпендикулярно ориентации массива (поперечный ток). При напряжении 4,5 В в структуре появилась первая небольшая яркая вспышка, симметрично расположенная относительно зондов, характеризующая взрыв. При этом напряжении наблюдается разрыв электрической цепи.

Изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами, которые не охватывают весь объем притязаний, но и не ограничивают его.

Пример 1.

Способ инициирования локального взрыва массивов многостенных, вертикально ориентированных, плотно упакованных, связанных с подложкой углеродных нанотрубок при воздействии на них импульсным электрическим током непосредственно через контакты источника питания.

При осуществлении этого способа массивы углеродных нанотрубок синтезируют на кремниевой подложке методом химического осаждения из паровой фазы (CVD методом) при атмосферном давлении путем термического разложения жидких углеводородов - (о- и р-ксилол С ₈ Н ₁₀ ) в присутствии летучего катализатора (ферроцен Fe(C ₅ H ₅ ) ₂ ) с использованием аргона (Ar) в качестве газа-носителя. Синтез углеродных нанотрубок осуществляют в следующих режимах: концентрация ферроцена в р-ксилоле - 1%, скорость введения раствора - 1 мл ∙мин ^-1 , температура 870 °С, скорости потока Ar и NH ₃ 100 см ³ ∙мин ^-1 и 20 см ³ ∙мин ^-1 соответственно, время проведения процесса 1 мин.

Параметры синтезированных углеродных нанотрубок исследованы методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР).

Типичный вид синтезированных в этом режиме массивов углеродных нанотрубок представлен на фиг. 1. На фиг. 1(a) видно, что это массив вертикально ориентированных, плотно упакованных углеродных нанотрубок высотой ~ 25 мкм (РЭМ). На фиг. 1(b) видно, что диаметр углеродных нанотрубок равен ~5 ÷ 10 нм (ПЭМ). Структура углеродных нанотрубок многослойная, аналогичная представленной на фиг. 1(d). На фиг. 1(c) представлен спектр комбинационного рассеяния массива углеродных нанотрубок. Пик в области 1586 см ^-1 свидетельствуют о гексагональной графеновой структуре этих слоёв, т.е., о том, что получены углеродные нанотрубки.

Образец с синтезированными углеродными нанотрубками устанавливается на специальном держателе перпендикулярно столику микроскопа, что позволяет наблюдать происходящие на поверхности образца явления в направлении, перпендикулярном его поверхности. Непосредственно на углеродные нанотрубки подаётся импульсное напряжение через вольфрамовые зонды разного диаметра. Подаваемое напряжение увеличивается от 0 до 30 В с шагом 2В.

При напряжении ~ 4В массивы углеродных нанотрубок взрываются, что сопровождается вспышкой света (фиг. 2). Данный результат получен впервые. В межзондовом пространстве появляется яркая вспышка света, которая локализуются вокруг зондов, образуя два сливающихся шара, причем у большего зонда размер вспышки больше. Это свидетельствует о том, что размер вспышки зависит от площади соприкосновения зонда с углеродной нанотрубкой.

Пример 2.

Способ инициирования локального взрыва массивов многостенных, вертикально ориентированных, плотно упакованных, связанных с подложкой углеродных нанотрубок при воздействии на них постоянным электрическим током с использованием специальных тонкоплёночных электродов, создаваемых методами микро- и наноэлектроники.

При осуществлении этого способа массивы углеродных нанотрубок синтезируют на кремниевой подложке n-типа с термически выращенным SiO ₂ , на поверхности которого формируются встречно-штыревые Ti электроды (одноштыревая и многоштыревая конструкции) с зазором между электродами 5 мкм (фиг. 3а).

Синтез углеродных нанотрубок на структуре Ti/ SiO ₂ /Si осуществляется тем же CVD методом, что и в «Примере 1 » в следующих режимах: концентрация ферроцена в p-ксилоле - 10%, скорость введения раствора - 1,0 мл ∙мин ^-1 , температура - 850 °С, скорость потока Ar - 100 см ³ ∙мин ^-1 и время проведения процесса 30 с.

При осуществлении этого режима имеет место преимущественный рост углеродных нанотрубок на поверхности оксида кремния SiO ₂ между и вокруг титановых Ti электродов (фиг. 3b, фиг. 4а). При этом, использованными в «Примере 1 » методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) и спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР) показано, что формируются многостенные, вертикально ориентированные, плотно упакованные массивы углеродных нанотрубок.

Как видно на фиг. 4b на поверхности титановых электродов отсутствуют массивы углеродных нанотрубок. Наблюдается только наличие небольшого количества случайных осадков.

Инициирование локального взрыва полученных образцов осуществляется при размещении образца на столике микроскопа в горизонтальном положении, что позволяет наблюдать происходящие в плоскости образца явления сверху (фиг. 5). Напряжение от источника питания подаётся с помощью двух вольфрамовых зондов на титановые Ti электроды одноштыревых образцов и разворачивается от 0 В со скоростью 1 В/с. Во время подачи напряжения на титановые Ti электроды осуществляется фотосъёмка поверхности образца через микроскоп фотоаппаратом, способным работать в режиме кинокамеры с частотой 15 кадров в сек.

При подаче напряжения на титановые Ti электроды большая часть тока протекает через массив углеродных нанотрубок, расположенных в межэлектродном пространстве, перпендикулярно ориентации массива (поперечный ток).

Кинетика взрывных процессов углеродных нанотрубок, визуализируемая вспышками света, представлена на фиг. 5, 6, 7. Данный результат получен впервые. В левом нижнем углу обозначено время протекания конкретного процесса (мин:с:мс).

На фиг. 5а представлен вид сверху исследуемого образца. Зонды подключены к одноштыревой конфигурации Ti электродов.

При напряжении 4,5 В (через 01:04:933) в структуре появилась первая небольшая яркая вспышка (фиг. 5,b), симметрично расположенная относительно зондов. При этом напряжении наблюдается разрыв электрической цепи. Учитывая этот факт, размер вспышки и её местоположение можно предположить, что взорвались углеродные нанотрубки в области межэлектродного пространства.

Первая вспышка длилась не более 67 мс (фиг. 5,b,с). При дальнейшем повышении напряжения вокруг титановых Ti электродов появляется вспученная обрамляющая область (фиг. 5с), которая при приближении к U=13,5 В приобретает красный цвет (фиг. 5 d), соответствующий критической температуре ≈900 °С. Это означает, что после того как взорвались углеродные нанотрубки в межэлектродном пространстве, ток между титановыми Ti электродами протекает через окружающие их боковые углеродные нанотрубки, которые разогреваются за счёт резистивного эффекта. Объём разогреваемого массива ограничен рассеиваемой электрической мощностью.

При достижении U=13,5 В происходит вторая вспышка (фиг. 5е), большего размера чем первая, в связи с большим объёмом углеродных нанотрубок по сравнению с их объёмом в межэлектродном пространстве. Эта вспышка длилась также не более 67 мс (фиг. 5е,f). Ярко-белый цвет вспышки свидетельствует, что её температура более 2000 °С. В связи с высокой температурой и достаточно большим объёмом и длительностью вспышки её мощности достаточно для дополнительного (к резистивному) разогрева массивов углеродных нанотрубок, непосредственно примыкающих к титановым Ti электродам. В результате площадь разогретых углеродных нанотрубок увеличивается.

Из-за теплоотвода в окружающую среду температура указанных областей углеродных нанотрубок падает ниже критической, и вспышка, характеризующая взрыв, затухает, однако дальнейший подъём напряжения до U=23 В приводит к дополнительному резистивному нагреву данного увеличенного объёма до критической температуры (Т=900 °С) и они приобретают ярко-красный цвет (фиг. 5, f).

При достижении напряжения U=23,5 В происходит третий взрыв, характеризующийся третьей вспышкой (фиг. 6), которая растёт до размеров, выходящих за пределы окуляра микроскопа, а затем гаснет (фиг. 6,а-6,f). Эта вспышка длится примерно 466 мсек.

Цвет вспышки изменяется от розово-жёлтого (фиг. 6,а) до ярко-белого (максимальная температура) (фиг. 6,d) и снова до розово-жёлтого перед её исчезновением (фиг. 6,f), т.е. за время существования вспышки её температура изменяется за счёт теплообмена между углеродными нанотрубками, окружающей средой и подложкой. Эта вспышка, в отличие от первых двух, имеет значительно большие размеры и большую длительность существования. Этот факт связан со значительно большим разогретым объёмом массивов углеродных нанотрубок по сравнению с двумя первыми вспышками.

На фиг. 7 представлена геометрия зон взрыва. Увеличенное изображение реструктурированной области, позволяющее различить детали её структуры, представлено на фиг. 7а. Можно различить три зоны этой области обозначенные белыми стрелками, которые последовательно образовывались в результате воздействия электрического тока на углеродные нанотрубки в процессе трёх взрывов. Пунктирными линиями обозначены оси зондов. На фиг. 7b схематически представлены зоны взрыва.

При осуществлении описанного способа (пример 2) инициирования взрыва углеродных нанотрубок при воздействии на них постоянным, переменным или импульсным электрическим током с использованием специальных тонкоплёночных электродов, создаваемых методами микро- и наноэлектроники, обеспечивается воспроизводимость условий инициирования воспламенения и управляемость процессом воспламенения за счёт простых и надёжных конструкций устройств, инициирующих воспламенение.

Воспроизводимость обеспечивается за счёт воспроизводимого формирования конфигурации тонкоплёночных электродов, создаваемых методами микро- и наноэлектроники, что обеспечивает повторяемость размеров массивов углеродных нанотрубок, формируемых в межэлектродном пространстве.

Управляемость обеспечивается за счёт возможности создавать разнообразные конфигурации тонкоплёночных электродов, задавая за счёт этого различные объёмы и формы массивам углеродных нанотрубок, формируемых в межэлектродном пространстве, что позволяет задавать количество вспышек света, их мощность и длительность.

Кроме того, управляемость обеспечивается возможностью управления режимами синтеза массивов углеродных нанотрубок.