Как известно, наиболее эффективный и широко распространенный способ синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) основан на химическом осаждении паров (CVD), при котором рост УНТ происходит в результате термокаталитического разложения углеродосодержащих соединений в присутствии наночастиц металлического катализатора, нагретых до температуры порядка 1000 К. Однако до сих пор не существует единого мнения по вопросу о механизме роста УНТ.

Согласно одной из концепций («базовый» механизм), нанотрубка, одним своим концом прикрепленная к подложке, отрастает за счет процессов, происходящих вблизи ее основания в присутствии наночастицы катализатора. По другой гипотезе («вершинный» механизм) нанотрубка растет в результате присоединения атомов углерода к ее вершине, так что частица катализатора в процессе роста находится на вершине УНТ. Обе гипотезы подкреплены соответствующими экспериментальными данными, однако до сих пор не ясно, при каких конкретно условиях реализуется тот или иной механизм роста УНТ.

Некоторой ясности в этом вопросе удалось достичь недавно группе исследователей из университетов Парижа и Нанта, которые обнаружили, что преобладание того или иного механизма роста УНТ зависит от их диаметра. Нанотрубки синтезировали методом плазменного CVD в камере электронного циклотронного резонанса. В качестве катализатора использовали пленки Co, Ni или Fe (толщиной 1 или > 8 нм), напыленные на подложку Si покрытую слоем SiO₂ толщиной 500 нм методом осаждения паров. В результате вакуумного отжига пленок при Т = 700^оС на подложке образовывались островки металла нанометровых размеров, которые служили катализатором роста УНТ. При этом в случае тонких пленок (1 нм) характерный размер частиц составлял около 5 нм, в то время как отжиг толстых пленок (> 8 нм) приводил к образованию частиц с размерами в диапазоне от 5 до 100 нм.

Однослойные и многослойные УНТ выращивали в плазме, содержащей ацетилен, аммиак и водорода в соотношении 1:4:23 при температуре 700^оС, полном давлении газа 2,5х10^-3 Торр и подводимой к плазме СВЧ мощности 250 Вт. Полученные образцы нанотрубок исследовали с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов.

Эти исследования показали, что, независимо от типа используемого катализатора, диаметр синтезируемых УНТ определяется толщиной каталитического слоя. Так, при использовании толстого (>8 нм) слоя катализатора образуются многослойные УНТ диаметром более 15 нм. На вершинах этих нанотрубок присутствуют частицы металлического катализатора, что указывает на вершинный механизм роста таких УНТ. Использование тонкого каталитического слоя приводит к образованию однослойных либо тонких многослойных УНТ диаметром менее 5 нм. На вершинах этих УНТ не наблюдаются частицы катализатора, что указывает на базовый механизм их образования. Тем самым оказывается, что механизм роста УНТ существенно зависит от их диаметра, и при изменении диаметра нанотрубок от нескольких нм до нескольких десятков нм происходит изменение механизма от базового к вершинному.

А. Елецкий

• 1. A. Gohiera et al., Carbon 46, 1331 (2008)