Синтез и исследование твердофазных низкоразмерных структур на базе углерода

Представлены результаты: 1. В условиях сверхвысокого вакуума (UHV) in-situ изучено формирование нанокомпозитного материала, полученного путем напыления индия на тонкую пленку высокостабильного органического полупроводника - четырехфтористого фталоцианина меди (CuPcF4). Показано, что в металл/органической системе In/CuPcF4 металлические атомы диффундируют вдоль поверхности и путем самосборки образуют систему двумерных металлических внешних слоев. В то же время большинство атомов металла диффундирует в органическую матрицу и самоорганизуется в трехмерные наночастицы. Размер наночастиц существенно зависит от номинального количества напыленного металла. Методы TEM, HR-TEM позволили обнаружить, что 2D и 3D металлические нанообъекты имеют не только характерную для массивного индия объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру, но и нетипичную гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, индуцированную размерным эффектом и не наблюдающуюся в массивном металле. Методы XPES и NEXAFS показали достаточно слабое химическое взаимодействие индия с молекулами CuPcF4, что не характерно для ряда металлорганических полупроводниковых систем. Однако спектры валентной зоны продемонстрировали значительные изменения электронных свойств материала. Эти исследования могут быть использованы, в частности, при разработке новых прототипов металлорганических запоминающих устройств. Было также обнаружено, что процессы формирования металлоорганических границ раздела при изготовлении гибридных органико-неорганических систем являются быстротекущими. Для контроля и фиксации таких процессов измерения фотоэлектронных спектров были проведены с помощью новой динамической фотоэлектронной станции, оснащенной электронным спектрометром "ARGUS" (фирма OMICRON) при источнике синхротронного излучения PETRA III/DESY, позволяющей регистрировать фтоэлектронные спектры C 1s, N 1s и In 3d5/2 непосредственно в процессе напыления индия в динамическом режиме (в миллисекундном диапазоне/спектр). Показано: отсутствует химическое взаимодействие индия с атомами углерода; атомы индия располагаются в местах близких к пиррольному азоту молекулы CuPcF4; в процессе сильного взаимодействия атомов In и атомов пиррольного азота происходит перенос отрицательного заряда от индия к молекуле CuPcF4. 2. Ранее авторами данного проекта был разработан синтез графена на тонких пленках кубического SiC, выращенных на стандартных Si пластинах. Эти подложки - коммерчески доступны и полностью совместимы с существующими кремниевыми технологиями. В данном проекте нами была разработана методика ковалентной модификации графена красителем Нейтральный красный с помощью химии диазониевых соединений с применением 3-х ступеней очистки образцов. В результате обнаружено, что на поверхности образца можно обнаружить не только молекулы, стоящие ортогонально к плоскости графена, но и димерные структуры, которые получаются в результате объединения двух свободных радикалов, образовавшихся в результате восстановления диазониевого катиона. Более того, метод спектроскопии атомного разрешения позволил выяснить, что в результате модификации запрещенная зона превышает 2 эВ, в отличие от ранее опубликованной величины в 0.8 эВ. Результат исследования димерных структур методом сканирующей туннельной спектроскопии позволил продемонстрировать плотность заполненных и незаполненных состояний вблизи уровня Ферми. Более того, мы обнаружили, что нижние слои многослойного графена остаются неподверженными функционализации феназиновым красителем Нейтральный красный, что по своей сути делает синтезированный слоистый композит низкоразмерной гетероструктурой металл / полупроводник. Таким образом, многослойный композит графен-краситель обладает свойствами, которые могут быть привлекательными для оптоэлектронных приложений. 3. Проведена существенная методическая работа по разработке новых способов выращивания ультратонких пленок CuPcF16, а также по приготовлению на их основе систем образцов Ag/CuPcF16 и Al/CuPcF16 для исследований методами TEM и HR-TEM. Методами спектроскопии высокого разрешения (XPES, NEXAFS) с использованием синхротронного излучения проведены исследования электронной структуры. 4. Нами был разработан синтез нескольких слоев графена на поверхности SiC, который в свою очередь выращивался толщиной 1-2 микрометра на плоскости (100) стандартных пластин кремния. Существенная часть наших исследований свойств графена традиционно была выполнена на синтезированных таким способом образцах графена. Однако, как выяснилось, многие процессы при исследованиях свойств графена требуют достижения температур, приводящих к сублимации и даже плавлению кремниевой подложки, на которой находятся микронной толщины карбид кремния и несколько атомных слоев графена. В данном проекте мы изучали синтез и свойства графена на уникальных образцах карбида кремния (001) достаточно большой толщины, разработанных в Linköpings Uni, не требующих кремниевой пластины в качестве основы. Исследование проводилось на линии «Наноспектроскопия» синхротрона ELETTRA (Триест, Италия). Часть результатов хорошо коррелирует с полученными нами ранее при использовании эпитаксиального карбида кремния. Тем не менее, результаты исследований синтеза и свойств графена на поверхности толстого кубического карбида кремния оказались очень неожиданными. 5. Систематизация результатов по синтезу и исследованиям свойств нано-структурированного графена, включающая и полученные нами в рамках данного проекта, позволила по предложению редакции журнала «Письма в ЖЭТФ» написать и опубликовать обзор по указанной тематике. Все описанные и проанализированные в обзоре работы выполнялись в рамках финансовой поддержки РФФИ.