Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
4. Нитевидные кристаллы графита
Нитевидные кристаллы иногда называют материалом будущего, имея в виду их уникальные свойства: высокую, близкую ктеорети-ческой, прочность, высокий модуль Юнга и т. д. Эти свойства ните-
Рис 15. Электронограмма от [поверхности графитовой фольги
Рис. 16. Разрыв'графитовой фольги в области градиента температуры
видных кристаллов обусловлены их строением. В настоящее время получены и изучены нитевидные кристаллы многих веществ [36], и исследования в этой области интенсивно продолжаются.
Впервые нитевидные кристаллы графита получил Бэкон [37], используя электрическую дугу. При пиролизе различных газов их наблюдали также авторы работ [38, 39].
Нами нитевидные кристаллы графита были получены при использовании лучистого нагрева различного типа подложек. В качестве углеродсодержащих газов применялись углеводвроды. Наилучшие результаты получены с ацетиленом [40].
Источником излучения служили установка радиационного нагрева УРАН-1 и газоразрядный лазер ЛГ-25. Методика работы
45
44
с установкой УРАН-1 описана в главе IV. Здесь остановимся на описании установки с лазерным нагревом.
Схема установки для роста нитевидных кристаллов графита на основе инфракрасного лазера ЛГ-25 с длиной волны 10,6 мкм представлена на рис. 17. Установка состоит из блока питания 1+ лазера 2, реактора 4, укрепленного на трехкоординатном столике, и вакуумной системы. Входные и выходные отверстия в реакторе изготовлены из хлористого натрия. Прошедший пучок излучения улавливается ловушкой 6. После вакуумирования реактор наполняется исследуемым газом, который разлагается только на подложке 5, оставаясь при этом холодным. Линза из хлористого натрия 3 позволяла фокусировать световой пучок до размера 200 мкм, что обеспечивало получение на графите температур.до 3000° С. Использование лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм (инфракрасная область) имеет то преимущество перед нагревом с помощью мощной ксеноновой лампы, что исключает постороннюю засветку и позволяет проводить непрерывное пирометрирование образца.
Нитевидные кристаллы росли в стационарном режиме, а также при импульсном периодическом режиме, впервые примененном нами для наращивания алмазных пленок и выращивания нитевидных кристаллов алмаза. Периодическое импульсное пересыщение создавалось перекрытием светового пучка. При использовании установки радиационного нагрева УРАН-1 импульсы создавались при вращении диска с прорезями.
В зависимости от давления ацетилена и температуры могут быть получены различные нитевидные кристаллы графита. Однако температура подложки не должна быть ниже 900° С. На рост графитовых усов влияет как природа и состояние подложки (обычно металлы: вольфрам, тантал, титан, рений и др.), так и условия обтекания ее потоком газа вследствие естественной конвекции. На металлических подложках, неоднократно использованных в опытах, нитевидные кристаллы растут реже, нежели на свежих. Особенно часто растут такие кристаллы на срезах металла, а также на не-однородностях поверхности. Если на поверхность металла нанести перед опытом царапину, то вдоль нее вырастут нитевидные кристаллы, как бы декорируя эту царапину. Когда на поверхности молибдена был осажден вольфрам с различной ориентацией, то наибольшее число нитевидных кристаллов графита выросло на поверхности с ориентацией <100>.
Для исследования в электронном микроскопе графитовые усы выращивались на молибденовых шайбочках, которые затем вкладывались непосредственно в^ объектодержатель электронного микроскопа *.
На рис. 18 приведены фотографии нитевидных кристаллов графита. Они могут быть как прямыми, так и изогнутыми. Интересно
* Электронномикроскопические исследования проведены А. Е. Городецким и А. П. Захаровым.
46
\7. Схема установки для роста
нитевидных кристаллов графита
Г„с. .8. Нитевидные кристаллы графита (X 10 000)
о _ прямые; б - изогнутые
рис ,9 Полые кристаллы графита (X ,0 000)
гис. >». гнимок в темном поле
а _ снимок в светлом поле; б - снимок
отметить, что при определенных условиях получаются графитовые усы с периодической структурой, полые внутри, как показано на рис. 19. Очевидно, их структура связана со способом получения.
Электронная микродифракция показала, что, несмотря на использование металлической подложки, в составе усов не обнаружены примеси металлов или соответствующих им карбидов. Дифракционные исследования показали, что, хотя имеется значительная разориентировка кристаллитов, базисные плоскости графита вытянуты вдоль направления роста графитовых усов, что объясняет их высокую прочность на разрыв.
Значительный интерес представляют наращивание нитевидных кристаллов (усов или вискеров) на поверхности непрерывных углеродных волокон. Этот процесс предназначен для улучшения адгезии углеродных непрерывных волокон в композиционных материалах [41] и носит название «вискеризация»*. Основная трудность вискеризации заключается в необходимости роста именно нитевидных кристаллов, а не покрытии волокна слоем пироуглерода. Оптические методы нагрева в связи с этим обладают определенными преимуществами. На рис. 20 и 21 показаны вискеризованные волокна. Диаметр исходного волокна равен 6 мкм. Дифракция электронов позволила установить, что, наряду с графитом, на углеродных волокнах выделяется карбин [42], а также неидентифицированные углеродные фазы. В табл. 1 приведены результаты расчета некоторых электронограмм.
