Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов нуклеации и роста графеноподобных пленок в плазме тлеющего разрядаНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 25 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов нуклеации и роста графеноподобных пленок в плазме тлеющего разряда
Результаты этапа: В рамках первого этапа проекта была разработана самосогласованная пространственно двумерная модель плазмы тлеющего разряда постоянного тока (РПТ) в режиме осаждения углеродных наностенок (УНС), позволяющая по определенному набору входных параметров (скорость подачи газов, давление, температура электродов, величина тока и площадь катодного пятна) получать пространственные распределения концентраций 48 компонент H/C/N плазмы, газовой температуры, величины электрического поля и скоростей плазмохимических реакций (366 реакций). По сравнению с представленной ранее упрощенной моделью был сделан ряд важных дополнений, в частности, была в явном виде методом Монте-Карло рассчитана релаксация катодного пучка электронов и вызываемые ею источники различных активных частиц (радикалов, возбужденных и заряженных частиц), учтена аксиальная неоднородность электрического поля и влияние на нее диффузионного потока электронов. Углеводородная плазмохимическая кинетика была расширена включением в нее реакций для азот-содержащих компонент, а также для возбужденных излучающих компонент CH*, C2* и CN* (помимо H(n=2,3)), что позволило проводить сравнения экспериментально измеренных аксиального и радиального эмиссионных профилей излучения данных компонент с профилями их расчетных концентраций. Расчетные профили в целом качественно воспроизвели основные особенности свечения плазмы, подтверждая тем самым корректность расчетов, при этом была показана роль различных каналов возбуждения излучающих компонент в различных областях разряда. Также удовлетворительное совпадение было получено при сравнении расчетного и экспериментального разрядных напряжений и расчетного энергобаланса плазмы с калориметрическими измерениями. В результате моделирования было получено пространственное распределение компонент плазмы в режиме осаждения УНС, а также описаны основные конверсии компонент в различных областях разряда. Была подтверждена доминирующая роль метила (CH3) в процессе осаждения УНС, ввиду того, что его концентрация над подложкой на порядки превышала концентрации других углеводородных радикалов. Описанные выше результаты подготовлены для публикации в журнале «Физика Плазмы» и находятся на рецензировании в редакции журнала. В рамках изучения механизмов роста УНС в плазме РПТ в отчетный период был исследован феномен самоорганизации на поверхности УНС металлических (Ag, Al, Co, Mo, Ni, Ta) и полупроводниковых (Si) наночастиц, осаждаемых методом магнетронного распыления, в квазипериодичные линейные структуры. Было продемонстрировано, что данное явление обусловлено диффузией осаждаемых наночастиц к линейным структурным дефектам на поверхности УНС двух типов. Во-первых, это места утолщения наностенок - границы новых внешних графеновых слоев (т.н. atomic steps), появляющиеся на поверхности УНС ввиду все более позднего образования внешних слоев и, соответственно, имеющих меньшие линейные размеры, чем внутренние слои. Во-вторых, это складки, образуемые поверхностными слоями УНС во время отжига. Был предложен механизм, по которому частицы плазмы, адсорбируемые на поверхности УНС во время синтеза, оказываются между графеновыми слоями в результате нарастания внешних слоев, уменьшая при этом взаимодействие между ними. Десорбция же этих частиц при последующем вакуумном отжиге УНС приводит к релаксации напряжения поверхностного слоя и образованию складок. Образование вышеописанных дефектов на поверхности УНС требует дальнейшего, более детального исследования с использованием разработанной модели плазмы РПТ. Также было показано, что образующийся в результате осаждения металлических наночастиц (в частности Ag) на поверхности УНС композитный материал является перспективной подложкой для исследования различных веществ методом гигантского комбинационного рассеяния, однако этот вопрос требует отдельного исследования, выходящего за рамки данного проекта. Описанные выше результаты опубликованы в журнале «Physical Chemistry Chemical Physics».
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов нуклеации и роста графеноподобных пленок в плазме тлеющего разряда
Результаты этапа: Разработанная и апробированная на первом этапе модель использовалась для исследования механизмов роста УНС, основанном на поиске корреляции между структурой пленок, осажденных в различных режимах, и параметрами разряда, в том числе радикальным составом плазмы. При этом был предложен многоступенчатый метод синтеза. Его суть заключается в резком изменении макропараметров разряда, приводящем к изменению радикального состава плазмы после некоторого времени осаждения в стационарных условиях. При этом плазма измененного состава взаимодействует с поверхностью УНС, образовавшихся на предыдущем этапе, что наиболее ярко проявляет различные поверхностные процессы. Подобный комбинированный экспериментально-теоретический подход позволил сформулировать выводы о возможной роли отдельных углеводородных радикалов в различных процессах происходящих на поверхности углеродных наностенок во время их роста (таких как вторичная нуклеация, травление и т.н. залечивание протравленных областей). Также были рассмотрены электрохимические свойства УНС применительно к созданию литий-ионных аккумуляторов. Была разработана методика синтеза композитного анодного материала, сформированного чередующимися слоями УНС и кремния (или германия). Для этого на никелевой фольге происходило последовательное плазмохимическое осаждение наностенок и магнетронное напыление кремния или германия. Причем в качестве внешнего слоя всегда выступал слой УНС для эффективной инкапсуляции активного материала и стабилизации электрохимических характеристик. Были подобраны оптимальные толщины единичных слоев УНС и активного материала. Увеличение емкости электрода происходило путем увеличения количества слоев. При этом удельная емкость многослойных электродов, нормированная на общий вес пленки, практически не изменялась и составляла около 500 мАч/г, что примерно в два раза превышает удельную емкость графитовых электродов. Поверхностная же емкость увеличивалась пропорционально количеству слоев и для многослойных электродов, состоящих из 7 кремниевых или 6 германиевых слоев поверхностная емкость достигала 2 мАч/см2, что сопоставимо с промышленно производимыми графитовыми отрицательными электродами. При этом она оставалась стабильной при циклировании. Таким образом, был продемонстрирован подход к созданию анодного материала для литий-ионных аккумуляторов с высокой удельной емкостью на основе УНС и кремния или германия. По итогам проекта было опубликовано 4 работы и подготовлена к защите одна кандидатская диссертация.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Avtoreferat_dissertatsii_rukovoditelya_proekta_po_teme_gr... Avtoreferat_dissertatsii_rukovoditelya_proekta_po_teme_gr... 1,7 МБ 5 апреля 2018 [fligga]
2. Modelirovanie_i_opticheskaya_spektroskopiya_razryada_post... Modelirovanie_i_opticheskaya_spektroskopiya_razryada_post... 1,1 МБ 5 апреля 2018 [fligga]
3. Gaining_cycling_stability_of_Si-_and_Ge-based_negative_Li... Gaining_cycling_stability_of_Si-_and_Ge-based_negative_Li... 2,5 МБ 5 апреля 2018 [fligga]
4. Otchet_16-32-00453_mol_a.pdf Otchet_16-32-00453_mol_a.pdf 1,7 МБ 5 апреля 2018 [fligga]
5. Self-assembled_nanoparticle_patterns_on_carbon_nanowall_s... Self-assembled_nanoparticle_patterns_on_carbon_nanowall_s... 953,8 КБ 5 апреля 2018 [fligga]