Изменение Химического Состояния И Концентрации Железа В Углеродных Нанотрубках, Полученных Методом CVD И Подвергнутых Импульсному Ионному Облучению

Abstract

С использованием методов просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофотоэлектронной спек-троскопии и энергодисперсионного анализа получены данные о распределении железа в азотсодержащих многостенных углеродных нанотрубках (N-МУНТ), изменении его химического состояния и концентрации при различных режимах облучения импульсным ионным пучком. Показано, что облучение N-МУНТ с плотностью энергии 0.5 J/cm 2 способствует формированию на их боковых поверхностях структур размером 2−10 nm, состоящих из металлического железа, инкапсулированного в углеродную оболочку. Повышение плотности энергии до 1−1.5 J/cm 2 приводит к существенному удалению кластеров железа из вершин углеродных нанотрубок и снижению количества железа в объеме слоя N-МУНТ. ВведениеВ настоящее время углеродные нанотрубки (УНТ) яв-ляются предметом интенсивных исследований в связи с их уникальной электронной структурой, электрическими и механическими свойствами [1]. Известно [2,3], что при синтезе УНТ методом CVD (chemical vapor deposition) в качестве катализатора роста часто применяются пере-ходные металлы (Fe, Co, Ni). При этом частицы катали-затора, встроенные в структуру УНТ, взаимодействуют со стенками нанотрубок и могут значительно влиять на электронную структуру и свойства нанотрубок. В част-ности, в [4] показано, что транспорт электронов из частиц катализатора в УНТ повышает адсорбцию кис-лородсодержащих групп на их поверхности. Встроенные в структуру УНТ частицы катализатора могут изменять активность углеродных слоев нанотрубок в различных окислительных реакциях, что может быть перспективно для применения в гетерогенном катализе [5]. Кроме того, углеродная оболочка защищает железосодержащие наночастицы от окисления, предотвращает спонтанную агломерацию и изменение их свойств [5][6][7]. С другой стороны, во многих случаях наличие частиц метал-лического катализатора в УНТ является нежелатель-ным [8,9]. Имеется большое число работ, направленных на удаление металлических частиц с использованием методов мокрой химии (например, кислотной обработки в H 2 SO 4 /HCl) или термической обработки в инертных средах [10][11][12]. Высокотемпературный отжиг в инерт-ных средах является более предпочтительным видом обработки, так как позволяет существенно снизить концентрацию металлического катализатора в УНТ до значений < 0.01 wt.%, не нарушая структуру внешних стенок УНТ [13][14][15].Широкие возможности для модифицирования свойств многостенных УНТ (МУНТ) возникают при использо-вании импульсного ионного пучка высокой удельной мощности [16,17]. За счет введения большого количества энергии (> 10 7 W/cm 2 ) за время действия импульса (∼ 120 ns) возникают высокие градиенты температуры и давления, способные изменять морфологию и воз-действовать на электронную структуру материала, а также формировать новые структурно-фазовые состоя-ния. На настоящий момент в литературе отсутствуют данные по влиянию импульсного ионного облучения на концентрацию и химическое состояние железа в МУНТ.Целью настоящей работы является исследование из-менения электронной и атомной структуры ...