Экспериментальное исследование стержневых структур карбида кремния полученных капельным и автоклавным методами

А.В. Тучин1, Д.А. Жукалин1, Л.А. Битюцкая1, А.В. Калашников1
1Воронежский государственный университет, Университетская пл. 1, 394006, Воронеж, Россия
Аннотация
Получение карбида кремния и керамики на его основе традиционными методами, сопряжено со значительными энергетическими и экономическими затратами, поэтому поиск альтернативных технологий синтеза данного полупроводникового соединения представляет большой интерес. С целью снижения температуры синтеза активно исследуются углеродные наноматериалы в качестве источника углерода. В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования морфологии, элементного состава и кристаллического строения структур, полученных капельным и автоклавным методами из коллоидных растворов коротких (l ~ 500 нм) углеродных нанотрубок и наноразмерного (~7 нм) аморфного пиролитического диоксида кремния. Установлено формирование стержневых структур при определенных критических концентрациях исходных компонентов. Обнаружено, что динамические условия высыхающей капли определяют синтез при комнатной температуре стержневых структур в 2-3 раза больших размеров, чем при синтезе в автоклаве при температуре ~180°С. Элементный анализ показал высокое процентное содержание углерода и кремния в стержневых структурах. Дифрактометрические исследования показали наличие фазы карбида кремния политипа 4-H SiC в синтезированных стержневых структурах. Основываясь на квантово-химических расчетах предложена модель активного заряженного центра коротких углеродных нанотрубок, обеспечивающих возможность формирования ковалентных связей Si-C, O-C и C-Si-O-C при взаимодействии с аморфным диоксидом кремния. Капельный метод подходит для быстрого (10–20 мин) локального синтеза небольшого количества стержневых структур при минимальных затратах энергии. Автоклав позволяет синтезировать граммовое количество стержневых структур за достаточно длительное (несколько суток) время. Оба метода в сравнении с широко используемыми на практике являются низкотемпературными.
Получена: 20 июля 2016   Исправлена: 12 октября 2016   Принята: 31 октября 2016
Просмотры: 61   Загрузки: 18
Ссылки
1.
V. Vojtovich, A. Gordeev, A. Dumanevich. Silovaya ehlektronika. 5, 4 – 10 (2010). (in Russian) [В. Войтович, А. Гордеев, А. Думаневич. Силовая электроника. 5, 4 – 10 (2010)].
2.
I. SHahnovich. EHlektronika: Nauka, Tekhnologiya, Biznes. 4, 12 – 18 (2005). (in Russian) [И. Шахнович. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 4, 12 – 18 (2005)].
3.
O. A. Ageev, A. E. Belyaev, N. S. Boltovec, et al. Karbid kremniya: tekhnologiya, svojstva, primenenie. Har’kov, ISMA. (2010) 532 p. (in Russian) [О. А. Агеев, А. Е. Беляев, Н. С. Болтовец и др. Карбид кремния: технология, свойства, применение. Харьков. ИСМА. (2010) 532 с.
4.
S. N. Gusev, S. Yu. Zubkov, S. A. Levchuk, and M. V. Sapozhnikov. Journal of Surface Investigation. Xray, Synchrotron and Neutron Techniques. 4 (3), 374 – 378 (2010). (in Russian) [С. Н. Гусев, С. Ю. Зубков, С. А. Левчук, М. В. Сапожников. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 5, 10 – 17 (2010)].
5.
A. V. Semenov, V. M. Puzikov, E. P. Golubova, et al. Semiconductors. 43 (5), 685 – 689 (2009). (in Russian) [А. В. Семенов, В. М. Пузиков, Е. П. Голубова и др. Физика и техника полупроводников. 43 (5), 714 – 718 (2009)].
6.
D. O. Moskovskih. Poluchenie submikronnogo poroshka karbida kremniya i nanostrukturirovannoj keramiki na ego osnove: Dissertacija na soiskanie stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Moskva. 2015. 166 p. (in Russian) [Д. О. Московских Получение субмикронного порошка карбида кремния и наноструктурированной керамики на его основе: дисс. канд. техн. наук. Москва. 2015. 166 с.].
7.
V. A. Soltamov, D. O. Tolmachev, I. V. Il’in, et al. Physics of the Solid State. 57 (5), 891 – 899 (2015). (in Russian) [В. А. Солтамов, Д. О. Толмачев, И. В. Ильин и др. ФТТ. 57 (5), 877 – 885. (2015)].
8.
S. A. Kukushkin, A. V. Osipov. Journal of Applied Physics. 113, 024909 (2013). DOI: http://dx.doi.org / 10.1063 / 1.4773343
9.
S. A. Kukushkin, A. V. Osipov, N. A. Feoktistov. Physics of the Solid State. 56 (8), 1507 – 1535 (2014). (in Russian) [С. А. Кукушкин, А. В. Осипов, Н. А. Феоктистов. ФТТ 56 (8), 1457 – 1485 (2014)].
10.
S. A. Kukushkin, A. V. Osipov. Journal of Physics D: Applied Physics. 47 (13), 313001 (2014). DOI: http://dx.doi.org / 10.1088 / 0022 – 3727 / 47 / 31 / 313001
11.
S. A. Kukushkin, A. V. Osipov. Physics of the Solid State. 58 (4), 747 – 751. (2016). (in Russian) [С. А. Кукушкин, А. В. Осипов. ФТТ. 58 (4), 725 (2016)].
12.
L. Wang, H. Wada, L. F. Allard. Journal of Materials Research. 7 (1), 148 – 163 (1992). DOI: http://dx.doi.org / 10.1017 / S0884291400096813.
13.
W.‑S. Seo, K. Koumoto. Journal of the American Ceramic Society. 79 (7), 1777 – 1782 (1996). DOI: 10.1111 / j.1151 – 2916.1996.tb07995.x
14.
Y. J. Wu, W. Qin, Z. X. Yang, et al. Journal of Materials Science. 39 (16), 5563 – 5565 (2004).
15.
J. Wei, K.‑Z. Li, H.‑J. Li, et al. Materials Chemistry and Physics. 95 (1), 140 – 144 (2006). DOI:10.1016 / j.matchemphys.2005.05.032
16.
Y. J. Wu, J. S. Wu, W. Qin, et al. Materials Letters. 58 (17–18), 2295 – 2298 (2004). DOI:10.1016 / j.matlet.2004.03.002
17.
F.‑L. Wang, L.‑Y. Zhang, Y.‑F. Zhang. Nanoscale Research Letters. 4, 153 – 156 (2009). DOI: 10.1007 / s11671‑008‑9216‑3
18.
J.‑S. Lee, Y.‑K. Byeun, S.‑H. Lee, and S.‑C. Choi. Journal of Alloys and Compounds. 456 (1–2), 257 – 263 (2008). DOI: 10.1016 / j.jallcom.2007.02.010
19.
M. Mukherjee. Silicon Carbide — Materials, Processing and Applications in Electronic Devices. InTech. 2011. 558 p. DOI: 10.5772 / 852.
20.
J. Guo, A. Sun, X. Chen, et al. Electrochimica Acta. 56 (11), 3981 – 3987 (2011). DOI: 10.1016 / j.electacta.2011.02.014.
21.
D. A. Zhukalin, A. V. Tuchin, D. L. Goloshchapov, and L. A. Bityutskaya. Technical Physics Letters. 41 (2), 157 – 159 (2015). (in Russian) [Д. А. Жукалин, А. В. Тучин, Д. Л. Голощапов, Л. А. Битюцкая. Письма ЖТФ. 41 (4), 1 – 6 (2015)].
22.
A. V. Tuchin, V. A. Tyapkina, L. A. Bityuckaya. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy. 17 (4), 552 – 559 (2015). (in Russian) [А. В, Тучин, В. А. Тяпкина, Л. А. Битюцкая. Конденсированные среды и межфазные границы. 17 (4), 552 – 559 (2015)].
23.
V. G. Il’ves, M. G. Zuev, S. Yu. Sokovnin, A. M. Murzakaev. Physics of the Solid State. 57 (12), 2512 – 2518 (2015). (in Russian) [В. Г. Ильвес, М. Г. Зуев, С. Ю. Соковнин, А. М. Мурзакаев. ФТТ. 57 (12), 2439 – 2445 (2015)].
24.
L. Oakes, A. Westover, J. W. Mares, et al. Scientific Reports. 3. 3020 (7) (2013). DOI: 10.1038 / srep03020.
25.
E. Sun, F. — H. Su, Y. — T. Shih, et al. Nanotechnology. 20 (44). 445202 (2009). DOI: http://dx.doi.org / 10.1088 / 0957 – 4484 / 20 / 44 / 445202.
26.
T. A. Yakhno, V. G. Yakhno. Technical Physics. 54 (8), 1219 – 1227 (2009). (in Russian) [Т. А. Яхно, В. Г. Яхно. ЖТФ. 79 (8), 133 – 141 (2009)].
27.
B. Su, S. Wang, Y. Song, and L. Jiang. Nano Research. 4 (3), 266 – 273 (2011). DOI: 10.1007 / s12274‑010‑0078‑5.
28.
R. Duggal, F. Hussain, M. Pasquali. Advanced Materials. 18 (1), 29 – 34 (2006). DOI: 10.1002 / adma.200690004.
29.
T. A. Yakhno, O. A. Sanina, M. G. Volovik, et al. Technical Physics. 57 (7), 915 – 922 (2012). (in Russian) [Т. А. Яхно, О. А. Санина, М. Г. Воловик и др. ЖТФ. 82 (7), 22 – 29 (2012)].
30.
T. A. Yakhno, V. V. Kazakov, O. A. Sanina, et al. Technical Physics. 55 (7), 929 – 935 (2010). (in Russian) [Т. А. Яхно, В. В. Казаков, О. А. Санина и др. ЖТФ. 80 (7), 17 – 23 (2010)].
31.
L. A. Bityuckaya, D. A. ZHukalin, A. V. Tuchin, et al. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy. 16 (4), 425 – 430 (2014). (in Russian) [Л. А. Битюцкая, Д. А. Жукалин, А. В. Тучин и др. Конденсированные среды и межфазные границы. 16 (4), 425 – 430 (2014)].
32.
D. A. ZHukalin, A. V. Tuchin, L. A. Bityuckaya, E. N. Bormontov. Vestnik VGU «Fizika. Matematika». 3, 5 – 20 (2014). (in Russian) [Д. А. Жукалин, А. В. Тучин, Л. А. Битюцкая, Е. Н. Бормонтов. Вестник ВГУ «Физика. Математика». 3, 5 – 20 (2014)].
33.
D. Zhukalin, A. Tuchin, D. Goloshchapov, L. Bityutskaya, F. Roessner. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy. 16 (4), 431 – 438 (2014). (in Russian) [D. Zhukalin, A. Tuchin, D. Goloshchapov, L. Bityutskaya, F. Roessner. Конденсированные среды и межфазные границы. 16 (4), 431 – 438 (2014)].
34.
O. P. Gus’kova, V. M. Vorotyntsev, N. D. Abrosimova, et al. Physics of the Solid State. 57 (11). 2164 – 2169 (2015) (in Russian) [О. П. Гуськова, В. М. Воротынцев, Н. Д. Абросимова и др. ФТТ. 57 (11). 2106 – 2111 (2015)].
35.
A. I. Kirillov, A. M. Obyedkov, V. A. Yegorov, et al. Nanotechnics. 1 (25), 72 – 77 (2011). (in Russian) [А. И. Кириллов, А. М. Объедков, В. А. Егоров и др. Нанотехника. 1 (25), 72 – 77 (2011)].
36.
V. N. Sivkov, A. M. Ob”edkov, O. V. Petrova, et al. Physics of the Solid State. 57 (1), 197 – 204 (2015). (in Russian) [В. Н. Сивков, А. М. Объедков, О. В. Петрова и др. ФТТ. 57 (1), 185 – 191 (2015)].
37.
V. V. Bolotov, S. N. Nesov, P. M. Korusenko, S. N. Povoroznyuk. Physics of the Solid State. 56 (9), 1899 – 1903 (2014). (in Russian) [В. В. Болотов, С. Н. Несов, П. М. Корусенко, С. Н. Поворознюк. ФТТ. 56 (9), 1834 – 1838 (2014)].