Development of CNT growth recipes on Ni/TiN blankets

Waldo Vandermeiren
Koolstof nanobuizen, het zwarte koperKleine schaal, grote uitdagingenWelkom in de wereld van de nanotechnologie. Een wereld zo verschillend van de onze dat het haast fictie lijkt. Toch ontsnapt ook zij niet aan actuele thema’s als de mobiliteitsproblematiek. Net zoals snelwegen die steden verbinden, het verkeer niet meer aankunnen, krijgen steeds kleiner wordende koperen interconnects die transistors in microchips verbinden, het moeilijk de elektronenstroom te verwerken. Maar de oplossing is misschien wel dichterbij dan gedacht door het gebruik van koolstof nanobuizen i.p.v.

Development of CNT growth recipes on Ni/TiN blankets

Koolstof nanobuizen, het zwarte koper

Kleine schaal, grote uitdagingen

Welkom in de wereld van de nanotechnologie. Een wereld zo verschillend van de onze dat het haast fictie lijkt. Toch ontsnapt ook zij niet aan actuele thema’s als de mobiliteitsproblematiek. Net zoals snelwegen die steden verbinden, het verkeer niet meer aankunnen, krijgen steeds kleiner wordende koperen interconnects die transistors in microchips verbinden, het moeilijk de elektronenstroom te verwerken. Maar de oplossing is misschien wel dichterbij dan gedacht door het gebruik van koolstof nanobuizen i.p.v. koper als nanosnelwegen van de toekomst. Maar zoals het Belgisch wegdek blijkt ook de kwaliteit van de nanobuizen een struikelblok te zijn. De zoektocht naar het ideale productierecept kan beginnen.

De geboorte van een hype

Te midden de koude oorlog in een Russisch lab, liet de koolstof nanobuis zich voor het eerst opmerken. Het materiaal kan worden voorgesteld als een netwerk van koolstofatomen, gerangschikt volgens een honingraatstructuur, welke vervolgens is opgerold tot een holle buis (Figuur 1). Het bleef echter relatief stil rond de nanobuizen, totdat begin de jaren negentig een productiemethode ontwikkeld werd. Er ontstond een enorme hype binnen de wetenschappelijke wereld en onderzoek nam spectaculair toe. Al snel werden veelbelovende uitspraken gedaan over de eigenschappen van de nanobuizen. Zo zouden ze honderdmaal sterker zijn dan roestvrij staal en zesmaal lichter en zouden ze duizendmaal meer geleidend zijn dan koper. Daarnaast zouden ze even hard zijn als diamant en thermisch zeer stabiel. Deze eigenschappen gelden echter enkel voor structureel perfecte nanobuizen, welke tot op vandaag niet te produceren zijn. Toch stond het wetenschappers niet in de weg te dromen van toekomstige toepassingen. Één van de meest ambitieuze dromen moet wel NASA’s ruimtelift zijn, waarbij de kabel vervaardigd zou worden uit koolstof nanobuizen (Figuur 2). Ook in de elektronica sector groeide de interesse om klassieke materialen die tot hun fysische limieten gedwongen worden te vervangen.

De strijd der titanen

Een hedendaagse microchip bestaat uit een onderlaag aan transistors, de bouwstenen van elektronische onderdelen, welke door een netwerk van koperen interconnects verbonden worden (Figuur 3). Maar de strijd om elektronica zo klein mogelijk te maken eist zijn slachtoffers. De dimensies van de interconnects wordt zodanig klein dat bij de gewenste stroomdichtheid de weerstand en opgewekte warmte voldoende hoog zijn om koper te doen smelten. Daarnaast wordt het steeds moeilijker de interconnectkanaaltjes volledig met koper te vullen. In theorie zou het vervangen van koper door koolstof nanobuizen beide problemen in één klap kunnen verhelpen. Enerzijds doordat de thermische stabiliteit en zowel goede elektrische als warmte geleiding ervoor zorgt dat de nanobuizen hun structuur behouden, anderzijds doordat het groeien van nanobuizen een ‘Bottom-up’ proces is, m.a.w. ze groeien verticaal van onder naar boven in de kanaaltjes. “Probleem opgelost!” zou je denken. Spijtig genoeg is in de praktijk niet alles zo perfect als in de theorie. Gevolg: De weerstand van de nanobuis interconnects blijft hoger dan die van de koperen variant. De twee voornaamste oorzaken hiervan zijn de kwaliteit en de dichtheid van de nanobuis bundels in de kanaaltjes. Beide eigenschappen worden bepaald door het productieproces. Net zoals bij levende wezens speelt dus ook hier ‘de geboorte’ en groei van het materiaal een bepalende rol. Zou het mogelijk zijn dit productieproces zodanig te controleren om koolstof nanobuizen in staat te stellen om koper te verslaan?

Op grootmoeders wijze

Ik hoor u al tijdje denken “Materialen groeien, waar slaat dit op?”. Het klinkt misschien vreemd, maar het heeft alles te maken met de productiemethode. Koolstof nanobuizen worden hoofdzakelijk geproduceerd door ‘Chemical Vapor Deposition’ (CVD) wat een duur woord is voor een eenvoudig principe (Figuur 4). Er zijn vier zaken nodig:

·        Een CVD toestel, wat eenvoudig kan voorgesteld worden als een oven waardoor gassen kunnen stromen.

·        Een katalysator, wat zoveel betekend als een stof die een bepaalde chemische reactie kan versnellen.

·        Een koolstofhoudend gas.

·        Enkele assisterende gassen.

Wanneer een substraat met een katalysator film in het CVD toestel wordt gebracht zal bij een bepaalde temperatuur de laag opbreken in kleine partikels. Vervolgens stroomt het koolstofhoudend gas langsheen de katalysatorpartikels. Het gas ondergaat een ontbindingsreactie waarbij koolstofatomen vrijkomen die worden opgenomen door het katalysatorpartikel. Wanneer het partikel een staat van supersaturatie bereikt m.a.w. het partikel zit ‘vol’, dan zal boven of onder het partikel het koolstof uitkristalliseren tot een nanobuis (Figuur 5). Het resultaat is een tapijt van nanobuizen, die ook wel eens vergeleken wordt met een bos, grasmatten of haar (Figuur 6).

Het doel is nu om uit te zoeken welke combinatie van parameters, ook wel groeirecepten genoemd, de beste kwaliteit aan nanobuizen oplevert. Voorbeelden van parameters zijn temperatuur, druk, partieel druk van gassen, aard van de gassen en tijd.

De toepassing van nanobuizen als interconnects (Figuur 7) brengt nog enkele voorwaarden met zich mee. Doordat de nanobuizen geïntegreerd worden na de transistors mag de productietemperatuur niet hoger liggen dan 420 °C en mag er geen gebruik worden gemaakt van metalen als ijzer en goud, beide om schade aan de transistors te vermijden. Daarnaast moet ook het substraat waarop gegroeid wordt geleidend zijn. Van al deze voorwaarden is de temperatuur die met de meeste impact. Het blijkt zeer moeilijk te zijn nanobuizen van een goede kwaliteit te bekomen bij zulke lage temperaturen. Een groeirecept vinden die aan al deze voorwaarden voldoet en daarbij nanobuizen levert van voldoende kwaliteit blijkt geen eenvoudige taak. Net zoals bij grootmoeders recept ligt de sleutel tot succes in de details.

Het Oosterweel dossier van de nanotechnologie

De zoektocht naar het ideale recept is reeds enige tijd aan de gang en het einde lijkt nog niet meteen in zicht. Het zal nog heel wat wetenschappelijke master chefs bloed, zweet en tranen kosten voor de  koolstof nanobuizen al hun geheimen hebben prijsgegeven. Maar geen nood, net zoals voor de Antwerpse ring worden ook in de wereld van de nanotechnologie alternatieve pistes uitgedacht om het elektronenverkeer in computers en smartphones in de toekomst vlotter te laten verlopen.

Bibliografie

[1]       F. Cain, “What is a Space Elevator?”. In: Universe Today. 2013. URL: http://www.universetoday.com/105441/what-is-a-space-elevator

[2]       W. Bacsa. “Who discovered carbon nanotubes? - All you need to know about the discovery of carbon nanotubes”. In: Scitizen. 2006.

[3]       M. Monthioux. “Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes?”. In: Carbon. 2006, 44, 1621.

[4]       M. Kumar, Y. Ando. “Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production”. In: Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2010, 10, 3739-3758.

[5]       “Audacious and Outrageous: Space Elevators”. In: Nasa Science. 2000. URL: http://science1.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1/

[6]       M. Kumar. “Carbon Nanotube Synthesis and Growth Mechanism”. In: Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, Applications. 2011.

[7]       D. Gualtieri. “Transparent and Conductive”. 2011. URL: http://tikalon.com/blog/blog.php?article=2011/ITO

[8]       J. Sloan. “The Key to CNTs: Functionalization”. In: High-Performance Composites. 2010. URL: http://www.compositesworld.com/articles/the-key-to-cnts-functionalization

[9]       J. P. Gore, A. Sane. “Flame Synthesis of Carbon Nanotubes”. In: Carbon Nanotubes: Synthesis, Characterization, Applications. 2011.

[10]    “Carbon nanotube”. In: Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

[11]    R. Prada Silvy, Y. Tan, P. Wallis. “Single-walled Carbon Nanotubes: Recent Advances, Manufacturing, Characterization and Applications”. In: CoMoCAT Carbon Nanotubes. URL: http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/comocat-carbon-nanotubes.html#top

[12]    K. E. Nordheim. “Growth and Properties of Carbon Nanotubes”. 2012.

[13]    M. Yu, B. I. Yakobson, R. S. Ruoff. “Controlling Sliding and Pullout of Nested Shells in Individual Multiwalled Carbon Nanotubes”. In: J. Phys. Chem. B. 2000, 104, 8764-8767.

[14]    G. Eres. “Carbon Nanotubes”. URL: http://www.asdn.net/asdn/chemistry/carbon_nanotubes.shtml

[15]    T. A. Adams II. “Physical Properties of Carbon Nanotubes”. 2000. URL: http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntproperties/

[16]    D. Dass, R. Prasher, R. Vaid. “Single Walled CNT Chirality Dependence for Electrical Device Applications”. In: The African Review of Physics. 2013, 8, 0005.

[17]    N. Chiodarelli. “Correlation between number of walls and diameter in multiwall carbon nanotubes grown by chemical vapor deposition”. In: Carbon. 2012, 50, 1748-1752.

[18]    N. Dunne, W. Ornsby. “MWCNT Used in Orthopaedic Bone Cements”. In: Carbon Nanotubes: Growth and Applications. 2011.

[19]    M. van der Veen. “Carbon Nanotubes”. In: Imec Training. 2012.

[20]    D. A. Martin. “Trends in Nanotubes Research.” 2006.

[21]    S. Mori, M. Suzuki. “Non-Catalytic, Low-Temperature Synthesis of Carbon Nanofibers bt Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition”. In: Nanofibers. 2010.

[22]    “A Comparison of Carbon Nanotubes and Carbon Nanofibers”. 2011. URL: http://pyrografproducts.com/carbon-nanotubes.html

[23]    I. Martin-Gullon, J. Vera, J. A. Conesa, J. L. Gonzalez, C. Merino. “Differences between carbon nanofibers produced using Fe and Ni catalysts in a floating catalyst reactor”. In: Carbon. 2006, 44, 1572-1580.

[24]    G. Lee, S. Han, J. Yu, J. Ihm. “Catalytic decomposition of acetylene on Fe(001): A first-principles study”. In: Physical Review B. 2002, 66, 081403.

[25]    C. Journet, M. Picher, V. Jourdain. “Carbon nanotube synthesis: from large-scale production to atom-by-atom growth”. In: Nanotechnology. 2012, 23, 142001.

[26]    P. Serp, J. L. Figueiredo. “Carbon Materials for Catalysis”. 2009.

[27]    J. Tessonnier, D. S. Su. “Recent Progress on the Growth Mechanism of Carbon Nanotubes: A Review”. In: ChemSusChem. 2001, 4, 824-847.

[28]    F. Ding. “The Limits of Carbon Nanotube (CNT) Growth”. URL: http://159.226.49.43/download/ICT-HPCC12/July_9/Feng_Ding.pdf

[29]    S. Hofmann, G. Csanyi, A. C. Ferrari, M. C. Payne, J. Robertson. “Surface Diffusion: The Low Activation Energy Path for Nanotube Growth”. In: Physical Review Letters. 2005, 95, 036101.

[30]    C. T. Wirth, S. Hoffmann, J. Robertson. “State of the catalyst during carbon nanotube growth”. In: Diamond and Related Materials. 2009, 18, 940-945.

[31]     “Ostwald ripening”. In: Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Ostwald_ripening

[32]    “Ostwald Ripening”. URL: http://pssnicomp.com/definitions/ostwald-ripening/

[33]    “Tutorial 6: Ostwald Ripening”. URL: http://xray.bmc.uu.se/~terese/crystallization/tutorials/tutorial6.html

[34]    J. A. Kpetsu, P. Jedrzejowski, C. Coté. “Influence of Ni Catalyst Layer and TiN Diffusion Barrier on Carbon Nanotube Growth Rate”. In: Nanoscale Res Letters. 2010, 5, 539-544.

[35]    N. Chiodarelli. “Carbon Nanotubes as Future Interconnects for sub-32nm Technologies”. 2011.

[36]    A. Gohier, C. P. Ewels, T. M. Minea, M. A. Djouadi. “Carbon nanotube growth mechanism switches from tip- to base- growth with decreasing catalyst particle size”. In: Carbon. 2008, 46, 1331-1338.

[37]    I. K. Song, Y. S. Cho, G. S. Choi, J. B. Park, D. J. Kim. “The growth mode change in carbon nanotube synthesis in plasma-enhanced chemical vapor deposition”. In: Diamond and Related Materials. 2004, 13, 1210-1213.

[38]    L. Delzeit, I. McAninch, B. A. Cruden, D. Hash, B. Chen, J. Han, M. Meyyappan. "Growth of multiwall carbon nanotubes in an inductively coupled plasma reactor”. In: Journal of Applied Physics. 2002, 91, 6027.

[39]    “Chemical Vapor Deposition”. URL: https://sites.google.com/site/nanomodern/Home/CNT/syncnt/cvd

[40]    J. Park. “Chemical Vapor Deposition”. 2001.

[41]    J. Schmidt, M. Kerr, A. Cuevas. “Surface passivation of silicon solar cells using plasma-enhanced chemical-vapour-deposited SiN films and thin thermal SiO2/plasma SiN stacks”. In: Semiconductor Science and Technology. 2000, 16, 164.

[42]    “PECVD”. URL: http://www.plasmatherm.com/pecvd.html

[43]    “What is PECVD?”. URL: http://www.plasmaequip.com/WHAT%20IS%20PECVD.pdf

[44]    S. R. Shamsudin. “Scanning electron microscope (SEM) and how it works”. 2011. URL: http://emicroscope.blogspot.be/2011/03/scanning-electron-microscope-sem-how-it.html

[45]    “Scanning  Electron Microscopy (SEM)”. URL: http://www.gla.ac.uk/schools/ges/research/researchfacilities/isaac/services/scanningelectronmicroscopy/

[46]    “SEM Illustrative Example: Secondary Electron and Backscatter Electron Images”. URL: http://www.andersonmaterials.com/sem/sem-secondary-backscatter-images.html

[47]    S. Swapp. “Scanning Electron Microscopy (SEM)”. URL: http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/SEM.html

[48]    “Scanning Electron Microscopy”. URL: http://www.nanoscience.com/products/sem/technology-overview/

[49]    “Scanning Electron Microscopy – Advantages and Disadvantages in Imaging Components and Applications”. URL: http://www.microscopemaster.com/scanning-electron-microscope.html

[50]    “Auger effect”. In: Wikipedia. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Auger_effect

[51]    M. Golabadi, R. Ajeian, M. Nakhaiebadrabadi. “Study of Temperature effect on Synthesis of Carbon Nanotubes by Iron Catalyst and Ethanol vapor by Chemical Vapor Deposition (CVD)”. In: Proceeding of the 4th International Conference on Nanostructures. 2012.

[52]    W. Shi. “The Role of Oxygen in Carbon Nanotube Synthesis”. 2014.

[53]    S. Arkalgud. “Interconnect Opportunities – A SEMATECH Perspective”. 2012.

Universiteit of Hogeschool
Chemie
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: