Исследования ионной имплантации в углеродных нанотрубках для применения в животноводстве Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.23: 539.12/.17

С.И. Матюхин, доктор физико-математических наук ФГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» С.Ю. Гришина, кандидат физико-математических наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ

ИССЛЕДОВАНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКАХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Представлены результаты исследования каналирования и деканалирования из углеродных нанотрубок частиц низких энергий. Получены простые аналитические формулы для длины деканалирования, функции распределения каналированных ионов по поперечным энергиям, функции распределения частиц по продолжительности жизни и среднее время жизни ионов.

Ключевые слова: углеродные нанотрубки, каналирование, ускоренные ионы низких энергий, имплантация, фокусировка, животноводство.

Введение

Характерной чертой современных технологий является их активное вторжение в мир нанометровых размеров. Стремительное развитие нанотехнологий за рубежом называют наноиндустриальной революцией. Нанотехнологии способны коренным образом преобразовать практически все отрасли науки и техники, способны поменять наши взгляды на мир и повлиять на психологию человеческого общества.

В настоящее время многие из перспективных направлений в области нанотехнологий связываются с углеродными нанотрубками (рис. 1). Особый интерес вызывает их применение в медицине: производство биосенсоров, использование нанотрубок в качестве матрицы для роста клеток, создание биоэлектронных приборов, которые могут быть имплантированы в организм человека [1-3]. Дело в том, что в основе биологических систем лежит углерод. Биосовместимость углеродного материала с биологическими тканями и обменными процессами живых организмов позволяет применять их в медицине, а значит, и в ветеринарии.

а)

б)

в)

Рисунок 1 - Нанотрубки различной конфигурации. Однослойные нанотрубки, свернутые под углом а = 0° [zigzag] (а), под углом а = 30° [armchair] (б), и нанотрубки с хиральностью (10, 5) (в)

Channeling and dechanneling of particles in carbon nanotubes has been theoretically studied. Simple analytical formulas are obtained their distribution with respect to the transverse energy, and the length of particle dechanneling, their distribution with respect on duration life.

Key words: carbon nanotubes, channeling, of accelerated ions of low energies, focusing, stock-breeding.

При этом углеродная нанотрубка может использоваться в качестве как носителя заполняющего ее материала, так и изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электрического контакта либо от химического воздействия с окружающими объектами [4]. В качестве заполняющего материала могут быть использованы лекарственные средства для применения в ветеринарии, а также ингредиенты для добавок к кормам в животноводстве.

Известные сегодня способы интеркалирования [57] непригодны для быстрого перестраивания режимов, особенно в мультистадийных комбинациях, вследствие присущих им продолжительности и селективности процессов. Кроме того, в ряде случаев эти способы предполагают дополнительную тепловую нагрузку на материал, которая обусловлена низким давлением пара ряда интеркалирующих компонентов (например, металлов), концентрированным пороговым эффектом интеркалирования или кинетическими затруднениями массопереноса. Указанные недостатки препятствуют использованию известных способов интеркалирования в промышленных масштабах.

Для внедрения в углеродные нанотрубки различных атомов или молекул предлагается использовать известный и хорошо изученный метод -легирования материалов пучками ускоренных частиц [8]. Этот метод внедрения примесных атомов (метод ионной имплантации) давно стал традиционным и высокоэффективным способом управления свойствами полупроводников, что, в свою очередь, обеспечило быстрый прогресс полупроводниковой электроники и микроэлектроники. К его преимуществам относятся высокая

воспроизводимость, локальность и точность имплантации, а также возможность введения в заданных количествах практически любой примеси.

В связи с этим возникла необходимость исследования слабоизученных процессов

взаимодействия ускоренных частиц с углеродными нанотрубками. Так как они вызывают интерес с точки зрения как прикладной, так и фундаментальной науки.

Вестник ОрелГАУ 1(11)

Научное обеспечение развития животноводства

Уже в первых теоретических работах [9, 10] было показано, что при движении частиц под малыми углами к оси нанотрубок они эффективно захватываются этими образованиями в режим каналирования (рис. 2).

Рисунок 2 - Эффект каналирования ионов в углеродных нанотрубках при ориентированном внедрении ускоренных частиц под малыми углами к оси нанотрубок

динамика и кинетика каналирования ионов в углеродных нанотрубках были изучены в наших предыдущих работах [11-17]. В настоящей работе изучены особенности каналирования и деканалирования из углеродных нанотрубок частиц низких энергий. Особенности каналирования и деканалирования ионов низких энергий Каналированные ионы низких энергий вызывают значительный интерес с точки зрения ионной имплантации частиц в углеродные нанотрубки.

2е

Е << М

(1)

: Кк;

Атр / те

■ Е,

(2)

остановки, который Ь0 = Е (¿Е / ¿г)-1.

приблизительно равен

1СГ

10;

10'

10

н+ Не+ Р Не" / / / 1 ..........* / г / ' / / / / / / / / / " / * t / , / /

\ /

Ч. А.

\ / "'

те !

Основным механизмом деканалирования является многократное рассеяние ионов на электронах хиральных и нехиральных нанотрубок вплоть до очень низких энергий ионов, сравнимых с граничной энергией каналирования. Длина деканалирования таких ионов в нехиральных нанотрубках определяется преимущественно их электронным рассеянием и может быть представлена в виде, аналогичном для нанотрубок с промежуточной хиральностью [17]:

1 ю ю' ю- ю' ю-

Е, ксУ

Рисунок 3 - Длина деканалирования Иск протонов и а-частиц (сплошные кривые) из углеродных нанотрубок с индексами хиральности (10, 10) в зависимости от энергии Е частиц. Пунктирными кривыми обозначена длина Ь0 = Е (¿Е / ¿г)-1, которая соответствует пробегу частиц

до остановки. Точки пересечения соответствующих друг другу сплошных и пунктирных кривых отвечают энергии

Е »(М1/ те)г1г2е2/ ( .

Как показывает рисунок 4, частицы низких энергий (1), быстро теряя ее при рассеянии на электронах, практически не деканалируют, так как их длина деканалирования оказывается много больше их

пробега до остановки: ЯсК >> Ц.

С математической точки зрения это связано с тем, что параметр а, учитывающий соотношение между диффузией и сносом частиц в пространстве поперечных энергий, для таких ионов становится большим:

а-

м, Е,

■■ —1 ■ — >> 1,

(3)

2аЛ1(а) ■ (¿Е / ¿г) е

Это связано с тем, что благодаря высокому значению температуры Дебая графита (Тв « 2230 К) амплитуда тепловых колебаний атомов нанотрубок (по крайней мере, в области умеренных температур) невелика, поэтому они, по нашим расчетам, оказывают слабое влияние на каналированные ионы. Кроме того, «каналы» внутри нанотрубок оказываются намного более широкими, чем в кристаллах, вследствие чего уменьшается эффективное время взаимодействия ионов с колебаниями.

Длины деканалирования протонов и а-частиц различных энергий, рассчитанные по формуле (2) для углеродных нанотрубок с индексами хиральности (10, 10), представлены на рисунке 3 (сплошные кривые). Пунктирные кривые на этом рисунке соответствуют пробегу каналированных частиц до

2те Е те ¿Е

а первое (наименьшее) собственное число Л\(а), которое входит в формулу (1), - экспоненциально малым:

Л (а) ~ [Ег(а)]"1 = ае~а ^ 0. (4)

Таким образом, распределение каналированных ионов по поперечным энергиям в нехиральных нанотрубках, как и в хиральных, в области низких энергий частиц (1) независимо от формы их начального распределения имеет вид распределения Больцмана

С

Ф(Е,; г) ~ — ■ ехр

(

Т

Е

\

\

Т,

(5)

с малой поперечной температурой, определяемой электронным рассеянием ионов:

E

Lc

а

2me

Am„

E,

(6)

где нормировочный множитель С0 определяется начальным распределением частиц.

Захватываясь в режим каналирования, такие ионы практически не деканалируют, независимо от конфигурации нанотрубок. Так как в хиральных нанотрубках имеющийся в отличие от нехиральных нанотрубок угловой момент ц таких частиц за время т - Ми (dE / dz )-1 достигает своего нулевого значения (ц^ 0). При этом, если длина нанотрубок Ь будет равна или окажется больше характерного значения Ь0 - Е (dE / dz)-1, частицы, теряя энергию при рассеянии на электронах, будут «застревать» внутри нанотрубок, образуя эндоэдральные структуры. Реализуется режим каналирования со «стопом». В противном случае (при Ь < Ь0) каналированные частицы будут пролетать через углеродные нанотрубки без остановки. Однако на выходе такие частицы будут формировать ионные пучки, расходимость в которых будет определяться только поперечной температурой (6) и не будет зависеть от энергии и расходимости исходного пучка частиц:

в^уГ^Е = У12ше /(л1шр) -3,3•ш-'/Тл .(7)

Будет наблюдаться фокусировка ионных пучков короткими нанотрубками.

Учитывая тот факт, что деканалированием ионов низких энергий можно пренебречь при любых глубинах проникновения, вероятность остаться в режиме каналирования РсЬ( z), а также функция деканалирования ионов из нанотрубок для пучка ионов, падающих под углом у к оси нанотрубок, имеют вид:

Ph(0) - (1 -Xn)

Х(0) = 1 - (1 -Xmin) •

' y2 ^ 1--2

y],

\ y л 1 "Y?,

(8)

(9)

где минимальныи выход, соответствующий углу падения y = 0, равен

(R - >; )2

X

1

mm d2

Ik

Rn

(10)

l0 "0

В области низких энергий частиц (1), где их распределение по поперечным энергиям имеет больцмановский вид (5), среднее время жизни в нанотрубках armchair- и zigzag- конфигурации < т > велико и практически не отличается от среднего времени жизни ионов в хиральных нанотрубках близкого радиуса (рис. 4).

ю'

10

1

[Л

с

л" ю-1

V

ю-2

10

10

" г

V \ У * ✓ / .. * .......... t * у у * /

1 10 10 10 10 10 Е, кеУ

Рисунок 4 - Средние времена жизни < т > протонов и а-частиц (сплошные кривые), каналированных в углеродных нанотрубках с индексами хиральности (11, 9), в зависимости от энергии Е частиц. Пунктирными кривыми обозначено среднее время, которое соответствует пробегу частиц до остановки. Точки пересечения соответствующих друг другу сплошных и пунктирных кривых отвечают

энергии E — n(M 1 / me )ZjZ 2e2 a

TFnpl .

Что касается функции распределения каналированных частиц по продолжительности жизни /сь(т) и их среднего времени жизни в хиральных нанотрубках < т > безотносительно к тому, какими моментами ц они обладают, то они имеют следующий вид:

fh (т)

1 - (1 Xmin )

{ 2 Л3

' y1 л

1 Y

■8{т) +

+

(1 - Xmin )

R

ch

1

2 E

M1

23

1. y Л

1 Y

(11)

(

exp

M1

(

' (1 Xmin ) RchV /-» ч

2E

Y

v

2 Л3

т R

ch

2E_

л

1 -^r

!(1 Xm

) Mi

23

1 -Y

Y1 y

Ye

M1/ me 5.8(dE / dz) e

(12)

E

Le

Средние времена жизни протонов и а-частиц различных энергий, рассчитанные по формуле (12) при у= 0 для хиральных нанотрубок с индексами хиральности (11, 9), представлены на рисунке 4.

Заключение Таким образом, варьируя энергию пучка можно создавать оптимальные условия для ионной имплантации частиц в углеродные нанотрубки, что открывает широкие перспективы использования ионных пучков для промышленного производства допированных нанотрубок. Однако вопрос о токсичности именно углеродных нанотрубок вследствие спорных представлений требует дальнейших исследований. Существует также проблема извлечения веществ из углеродных нанотрубок непосредственно уже в живом организме.

L

Вестник ОрелГАУ l'(ll)

Научное обеспечение развития животноводства

При заданной энергии пучка и длине нанотрубки меньше характерного значения L0 ~ E(dE/dz)- на выходе из углеродных нанотрубок наблюдается фокусировка ионных пучков. Углеродные нанотрубки могут быть использованы не только для получения, но и для управления ионными пучками нанометровых сечений. Причем, в отличие от изогнутых кристаллов, это управление может осуществляться в режиме реального времени.

В свою очередь, такие пучки в сочетании с методикой каналирования можно использовать в таких областях, как целенаправленное введение лекарственных средств и лучевая терапия на клеточном уровне в ветеринарии; управление пучками высоких энергий в ускорительной технике; манипулирование ионными пучками низких энергий в плазменных технологиях; управление перемещением молекул в биологических исследованиях и т.д.

Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011гг.)».

Литература

1. Fullerene Sci. echnol. (Fullerenes Carbon Nanostruct.) 2001/ A.Huczko, H. Lange, E. Caiko, H. Grubek-Jaworska, and p.Droszcz. - v.9. - p.251-255.

2. Nano Lett/ K. Besteman, J.-o. Lee, F.G.M. Wiertz, H.A. Heering, and C. Dekker.. 2003.- v.3.-p.727-730.

3. Получение упорядоченных пленок комплексов ДНК с одностенными углеродными нанотрубками [Текст]/ И.А. Наговицин, Г.Л. Чудинова, М.А. Кононов, В.В. Савранский. //Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения. Сб. трудов Российской школы-конференции. - Белгород: БелГУ, 2006.- с.110-111.

4. Елецкий, А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства [Текст]/ А.В. Елецкий // УФН, 2002. - Т.172. - №4. - С.401-438.

5. Tomanek Eds. D.and Enbody R.J. Science and Application of Nanotubes / Eds. D.Tomanek and R.J.Enbody. - N.Y. 2000.

6. Лозовик, Ю.Е. Образование и рост углеродных наноструктур - фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов [Текст]/ Ю.Е. Лозовик, А.М. Попов. // УФН, 1997. - Т.167. - №7. - С.751-772.

7. Елецкий, А.В. Эндоэдральные структуры [Текст]/ А.В. Елецкий // УФН, 2000. -Т.170.- №2.- С.113-141.

8. Матюхин, С.И. Ионная имплантация: новые возможности известного метода [Текст]/ С.И. Матюхин // Известия ОрелГТУ. Сер. «Естественные науки», 2003. - №1-2. - С.59-62.

9. Klimov, V.V. Hard X-radiation emited by a charged partikle moving in a carbon nanotube / V.V. Klimov, V.S. Letokhov. // Phys. Lett. A., 1996. - V.222. - P.424-428.

10. Геворкян, Л.Г. Каналирование в одностеночных нанотубах: возможные применения

[Текст]/ Л.Г. Геворкян, К.А. Испирян, Р.К. Испирян // Письма в ЖЭТФ, 1997. - Т. 66. - С. 304-307.

11. Матюхин, С.И. Динамика ориентированного взаимодействия ускоренных частиц с нехиральными углеродными нанотрубками [Текст]/ С.И. Матюхин, С.Ю. Гришина // Письма в ЖТФ, 2004. - Т.30. -Вып.20. - С.76-82.

S.I. Matyukhin, S.Yu. Grishina. Dynamics of the Oriented Interaction of Accelerated Particles with Nonchiral Carbon Nanotubes [ТехЦ// Tech. Phys. Lett,

2004. - V.30. - № 10. - P. 877-879.

12. Матюхин, С.И. Оптимальные условия ионной имплантации частиц в углеродные нанотрубки с использованием эффекта каналирования [Текст]/ С.И. Матюхин, Л.Ю. Фроленкова // Нанотехника, 2006. - №6. - С.21-25.

13. Матюхин, С.И. Критические параметры каналирования в нанотрубках [Текст]/ С.И. Матюхин, Л.Ю. Фроленкова. // Письма в ЖТФ, 2007. - Т.33. -Вып.2.- С.23-30;

S.I. Matyukhin, K.Yu. Frolenkov. Critical Parameters of Channeling in Nanotubes // Tech. Phys. Lett, 2007. -V.33. - №1. - P.58-61.

14. Матюхин, С.И. Расчет критических углов каналирования ионов в углеродных нанотрубках [Т екст ]/ С. И. Матюхин, А.В. Мятечкин. // Нанотехника, 2007. - №11. - С.14-17.

15. С.И. Матюхин, С.Ю. Гришина Кинетика ориентированного взаимодействия ускоренных частиц с нехиральными углеродными нанотрубками [Текст]/ С.И. Матюхин, С.Ю. Гришина // Письма в ЖТФ, 2005. - Т.31. - Вып.8.- С.12-18;

S.I. Matyukhin, S.Yu. Grishina. Kinetics of the Oriented Interaction of Accelerated Particles with Nonchiral Carbon Nanotubes/ [ТехЦ/ Tech. Phys. Lett,

2005. - V.31. - № 4. - P.319-321.

16. Матюхин, С.И. Кинетика ориентированного взаимодействия ускоренных частиц с углеродными armchair- и zigzag- нанотрубками [Текст]/ С.И. Матюхин, С.Ю. Гришина // Письма в ЖТФ,

2006.- Т.32.- Вып. 1.- С.27-34;

S.I. Matyukhin, S.Yu. Grishina. Kinetics of the Oriented Interaction of Accelerated Particles with Carbon Nanotubes of Armchair and Zigzag Configurations [ТехЦ// Tech. Phys. Lett, 2006.- V.32.- № 1.- P.14-17.

17. Матюхин, С.И. Каналирование ионов в углеродных нанотрубках [Текст]/ С.И. Матюхин, С.Ю. Гришина. - Орел: Орел ГАУ, 2008.- 175с.

7З