ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ:
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЕСТНОГО МЕТОДА
С.И.Матюхин
Орловский государственный технический университет
Сформулирована задача исследования механизмов и кинетики взаимодействия ускоренных частиц с макроскопическими порциями вещества, состоящего из фуллеренов и нанотрубок. Результаты этого исследования, помимо того, что они представляют самостоятельный научный интерес, дадут ключ к пониманию процессов, протекающих при взаимодействии ускоренных частиц с углеродными наноструктурами, и станут теоретическим фундаментом новых методов модификации структуры и свойств углеродных наночастиц, основанных на использовании ионных, атомных и молекулярных пучков.
1 Введение
Характерной чертой современных технологий является их активное вторжение в мир нанометровых размеров. Стремительное развитие нанотехнологий за рубежом называют наноиндустриальной революцией. И это не преувеличение. Ибо нанотехнологии способны коренным образом преобразовать практически все отрасли науки и техники, способны поменять наши взгляды на мир и повлиять на психологию человеческого общества.
Многие из перспективных направлений в нанотехнологиях связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами [1–6], состоящими из небольшого числа упорядоченных в пространстве атомов. Они привлекательны потому, что их физико-химические свойства, как правило, разительно отличаются от объемных свойств макроскопических материалов того же состава. Поэтому такие наноразмерные структуры рассматриваются сегодня как «крупные блоки» для конструирования новых материалов, необычных лекарственных средств, приборов [7, 8]. В этом плане особый интерес представляют интеркалированные наноструктуры, примером которых являются фуллерены и нанотрубки с внедренными в их внутренние полости ионами, атомами или молекулами, а также другие композитные наночастицы.
Исследования показали [3–8], что интеркаляция (т.е. внедрение частиц) может существенно менять механические, электромагнитные и химические свойства наноразмерных структур. Это открывает новые перспективы их использования в прикладной химии, материаловедении и наноэлектронике. Рассматривая интеркаляцию как своего рода «кристаллоинженерию», можно предположить, что она станет концептуальной основой нанотехнологий, которые призваны заменить исчерпавшие свои возможности микротехнологии.
Известные сегодня способы интеркалирования [5–7] можно условно разделить на три группы: термически экспозиционные, элементо-селективные и электрохимические, при которых интеркаляция осуществляется из жидкой или парогазовой фазы в процессе синтеза наночастиц путем прямой или обменной реакций и в виде иона или ион-радикала при электродной поляризации. Эти способы позволяют получить широкий спектр интеркалатов, но они непригодны для быстрого перестраивания режимов, особенно в мультистадийных комбинациях, вследствие присущих им продолжительности и селективности процессов. Кроме того, в ряде случаев перечисленные способы предполагают дополнительную тепловую нагрузку на материал, которая обусловлена низким давлением пара ряда интеркалирующих компонентов (например, металлов), концентрационным пороговым эффектом интеркалирования или кинетическими затруднениями массопереноса. Указанные недостатки затрудняют использование известных способов интеркалирования в промышленных масштабах и превращают задачу внедрения в наноструктуры атомов, ионов или молекул в центральную проблему наноразмерных технологий.
Решением этой проблемы, на наш взгляд [9, 10], может стать известный и хорошо изученный метод модификации структуры и свойств твердых тел – метод легирования материалов пучками ускоренных частиц [11–15]. Этот метод внедрения примесных атомов (метод ионной имплантации) давно стал традиционным и высокоэффективным способом управления свойствами полупроводников, что, в свою очередь, обеспечило быстрый прогресс полупроводниковой электроники и микроэлектроники. К его преимуществам относятся высокая воспроизводимость, локальность и точность имплантации, а также возможность введения в заданных количествах практически любой примеси. При всем при том он остается вне поля зрения исследователей, работающих в области нанотехнологий. Привлечь их внимание к идее «легирования» наноразмерных структур при помощи ионных, атомных и молекулярных пучков и расширить число известных способов интеркалирования – главная цель настоящей работы.
2 Предварительные оценки
Вследствие того, что с момента открытия фуллеренов, нанотрубок и других углеродных структур основные усилия научного сообщества были направлены на изучение их строения и свойств, а также на изучение свойств структур, модифицированных химическими методами, вопросу взаимодействия с наноразмерными структурами ускоренных частиц не уделялось должного внимания в научной литературе [1–8, 16, 17]. В то же время это взаимодействие вызывает интерес с точки зрения как фундаментальной, так и прикладной науки.
Оценки, сделанные с использованием модельных межатомных потенциалов взаимодействия [18] на основе известных данных [3, 4] о строении фуллеренов и нанотрубок, показывают, что для внедрения во внутренние полости углеродных наноструктур атомные частицы должны преодолеть потенциальный барьер, высота V0 которого не превышает 1 эВ (она зависит от сорта внедряемых атомов):
,
где Z1e – заряд ядра внедряемых атомов, Z2e – заряд атомного ядра углерода (Z2= 6), e = 1.6×10–19 Кл, электрическая постоянная e0 = 8.85×10–12 Ф/м, a – длина углерод-углеродной связи для наночастицы (a » 0.142 нм), aF – эффективная длина экранирования заряда ядер атомными электронами:
(aB – боровский радиус, aB » 0.053 нм). В то же время энергия связи атомов углерода в наноструктурах – около 7 эВ на атом, то есть на порядок выше максимальной высоты барьера. Это дает возможность, варьируя энергию пучка, создавать оптимальные условия имплантации (интеркаляции) атомов в углеродные наноструктуры, при которых процессы их разрушения подавлены.
При этом энергия пучка не обязательно должна быть меньше 7 эВ. При взаимодействии частиц с наноструктурами переданная энергия может распределяться между большим количеством (~100) атомов углерода, то есть переходить во внутреннюю энергию всей наночастицы. Кроме того, часть этой энергии может идти на возбуждение поступательных и вращательных степеней свободы наночастиц, так как они удерживаются друг возле друга слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Это позволяет надеяться, что в целях интеркаляции можно будет использовать, не разрушая углеродных структур, более мощные пучки ионов – пучки с энергией порядка 1 – 10 кэВ. Такие пучки позволят использовать метод ионной имплантации для производства интеркалированных наночастиц в промышленных масштабах.
3 Постановка задачи
Для практического использования пучков ускоренных частиц в целях внедрения в углеродные наноструктуры ионов, атомов или целых молекул необходимо иметь представления о кинетике взаимодействия этих пучков с макроскопическими порциями вещества, состоящего из отдельных наночастиц. Однако для решения этой сложной проблемы прежде всего следует решить задачу о взаимодействии атомных частиц с уединенными фуллеренами, нанотрубками и другими простыми структурами.
Для решения этой задачи необходимо:
1. Исходя из существующих представлений [18] о межатомных взаимодействиях, построить модельные потенциалы, описывающие в широком диапазоне энергий взаимодействие атомных частиц с фуллеренами, нанотрубками и другими простыми структурами.
2. Изучить механизмы энергообмена между ускоренными частицами и уединенными наноструктурами. При этом необходимо рассмотреть вопрос о взаимодействии атомных частиц с ионной и электронной подсистемами наноразмерных структур и учесть возможность образования структурных дефектов.
3. С учетом различных механизмов энергообмена между ускоренными частицами и уединенными наноструктурами, на основе модельных представлений о потенциале их взаимодействия решить задачу о вероятности проникновения ускоренных частиц в фуллерены, нанотрубки и другие похожие структуры. Решение этой задачи позволит ответить на вопрос об угловом и энергетическом распределении атомных частиц, рассеянных на углеродсодержащих наноструктурах.
4. Найти угловое распределение и распределение по энергиям для атомных частиц, рассеянных на уединенных наноструктурах. Изучить особенности этого рассеяния в зависимости от геометрии и строения углеродных наночастиц, а также от сорта частиц, внедренных в их внутренние полости.
5. Исходя из модельных представлений о межатомных взаимодействиях [18], изучить динамику движения атомных частиц внутри фуллеренов и нанотрубок. Изучить энергетические состояния этих частиц и статистические свойства случайных сил, которые действуют на них внутри наноразмерных структур.
6. Стандартными методами [19-22], на основе представлений о динамике движения атомных частиц построить кинетические уравнения, описывающие перераспределение потока частиц внутри фуллеренов и нанотрубок, и найти их решения. Изучить особенности углового и энергетического распределения атомных частиц при их движении внутри углеродных наноструктур, а также влияние на это распределение их геометрии, структурных дефектов и капсулированных частиц.
7. Решить задачу о вероятности захвата атомных частиц во внутренние полости фуллеренов и нанотрубок. Исследовать влияние на эту вероятность ориентации исходного пучка, его углового и энергетического распределения, а также тех факторов, которые связаны с составом и строением наноразмерных структур.
8. Решить задачу об образовании в нанотрубках и фуллеренах структурных дефектов. Исследовать зависимость вероятности образования структурных дефектов от параметров исходного пучка.
9. На основе решения задачи об угловом и энергетическом распределении атомных частиц внутри углеродных наноструктур, на основе решения задачи о вероятности захвата этих частиц найти угловое и энергетическое распределение частиц, «прошивающих» уединенные фуллерены, нанотрубки и другие похожие структуры. Исследовать влияние на это распределение процессов образования структурных дефектов.
Решение описанных выше задач позволит изучить кинетику элементарных процессов, связанных с взаимодействием ускоренных частиц с макроскопическими порциями вещества, состоящего из углеродных наноструктур. Теория, описывающая эти элементарные процессы, должна стать фундаментом для дальнейших исследований такого взаимодействия.
В ходе этих исследований необходимо:
10. Изучить возможные режимы движения атомных частиц через состоящее из углеродных наноструктур вещество и выработать критерии, позволяющие отнести эти частицы к той или иной фракции (к той или иной группе частиц со сходным режимом движения). Изучить влияние на разделение исходного пучка на фракции качественного и количественного состава смеси, а также геометрии взаимного расположения наночастиц в ней.
11. Исследовать кинетику переходных процессов, связанных с переходом атомной частицы от взаимодействия с одной к преимущественному взаимодействию с другой, соседней наночастицей.
12. Методами химической кинетики [19, 20], на основе результатов исследований переходных процессов описать перераспределение частиц между различными фракциями пучка при его распространении через вещество, состоящее из структурированных наночастиц. При этом с точки зрения приложений важно получить аналитические выражения для эффективной глубины проникновения ускоренных частиц в вещество, для эффективной функции углового и энергетического распределения частиц (в зависимости от глубины проникновения), для эффективной и интегральной вероятности захвата частиц во внутренние полости углеродных наноструктур, а также для интегральной вероятности образования структурных дефектов.
4 Заключение
Одним из наиболее привлекательных направлений использования метода ионного легирования углеродных наноструктур является наноэлектроника. Малые размеры, возможность при синтезе получать необходимую электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность делают углеродные наноструктуры весьма желанным материалом для производства рабочих элементов функциональных схем. Поэтому в настоящее время усилия ученых направлены [4–8] на разработку технологии получения фуллеренов и нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом.
Итогом решения этой проблемы стало бы создание токопроводящих соединений, которые позволят перейти к производству наноэлектронных приборов, размеры которых будут на один или два порядка меньше ныне существующих. Таким решением может стать метод имплантации частиц при помощи ионных пучков, который хорошо зарекомендовал себя в микроэлектронике.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №03-03-96488).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов В.И., Станкевич И.В. Фуллерены – новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства. // Успехи химии. 1993. Т.62. №5. С.455.
2. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены. // УФН. 1998. Т.168. №3. С.323.
3. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода. // УФН. 1995. Т.165. №9. С.977.
4. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. // УФН. 1997. Т.167. №9. С.945.
5. Лозовик Ю.Е., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов.// УФН. 1997. Т.167. №7. С.751.
6. Елецкий А.В. Эндоэдральные структуры.// УФН. 2000. Т.170. №2. С.113.
7. Science and Application of Nanotubes // Eds. D.Tomanek and R.J.Enbody.- N.Y. 2000.
8. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: Материалы для компьютеров XXI века. // Природа. 2000. №11.
9. Рожков В.В., Матюхин С.И. Использование каналирования для ионной имплантации атомных частиц в углеродные наноструктуры // Труды XV Междунар. конф. по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. - Алушта, Украина, 2002, с.277.
10. Матюхин С.И. Ионная имплантация как метод внедрения атомных частиц в углеродные наноструктуры // Тез. докл. Междунар. конф. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии. - Кисловодск, Россия, 2002, с. 77.
11. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии.- М.: Мир, 1985.
12. Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников.- М.: Мир, 1970.
13. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П., Ольшанский Е.Д., Домантовский А.Г., Аронзон Б.А., Мейлихов Е.З. Управляемая трансформация электрических, магнитных и оптических свойств материалов ионными пучками. // УФН. 2001. Т.171. №1. С.105.
14. Вавилов В.С., Челядинский А.Р., Ионная имплантация примесей в монокристаллы кремния: эффективность метода и радиационные нарушения. // УФН. 1995. Т.165. №3. С.347.
15. Бойко В.И., Валяев А.Н., Погребняк А.Д. Модификация металлических материалов импульсными мощными пучками частиц. // УФН. 1999. Т.169. №11. С.1243.
16. Бахтизин Р.З., Хашицуме Т., Вонг Щ.-Д., Сакурай Т. Сканирующая туннельная микроскопия фуллеренов на поверхности металлов и полупроводников. // УФН. 1997. Т.167. №3. С.289.
17. Безмельницын В.Н., Елецкий А.В., Окунь М.В. Фуллерены в растворах. // УФН. 1998. Т.168. №11. С.1195.
18. Дедков Г.В. Межатомные потенциалы взаимодействия в радиационной физике. // УФН. 1995. Т.165. №8. С.919.
19. Гардинер К.В. Стохастические методы в естественных науках.- М.: Мир, 1986.
20. Ван Кампен Н.Г. Стохастические процессы в физике и химии.- М.: Высшая школа, 1990.
21. Рожков В.В. Эффекты, индуцируемые коллективными коррелированными взаимодействиями заряженных частиц с твердым телом. // Дис… доктора ф.-м. наук, Харьков, 1988.
22. Матюхин С.И. Стохастическая теория каналирования быстрых частиц в монокристаллах. // Дис… канд. ф.-м. наук, Москва, 1997.
