Nanotuburi de carbon cu pereți dubli. Nanotuburi de carbon și nanofibre. Proprietățile și beneficiile nanotuburilor de carbon

Nanotuburile de carbon sunt viitorul tehnologiilor inovatoare. Producția și introducerea nanotubulenelor va îmbunătăți calitatea mărfurilor și produselor, reducând semnificativ greutatea acestora și sporind rezistența, precum și dotându-le cu noi caracteristici.

Ce sunt nanotuburile de carbon

Nanotuburile de carbon sau nanostructura tubulară (nanotubulene) sunt structuri cilindrice goale cu un singur pereți sau multi pereți create artificial în laborator, obținute din atomi de carbon și care posedă proprietăți mecanice, electrice și fizice excepționale.

Nanotuburile de carbon sunt fabricate din atomi de carbon și au formă de tuburi sau cilindri. Sunt foarte mici (la scară nanometrică), cu un diametru de la unu până la câteva zeci de nanometri și o lungime de până la câțiva centimetri. Nanotuburile de carbon sunt compuse din grafit, dar au alte caracteristici care nu sunt caracteristice grafitului. Ele nu există în natură. Originea lor este artificială. Corpul nanotuburilor este sintetic, creat de oameni independent de la început până la sfârșit.

Dacă te uiți la un nanotub mărit de un milion de ori, poți vedea un cilindru alungit format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon la vârfurile lor. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub. Chiralitatea unui nanotub determină caracteristicile și proprietățile sale fizice.

Mărit de un milion de ori, un nanotub este un cilindru alungit format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon la vârfurile lor. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub.

Chiralitatea este proprietatea unei molecule de a nu coincide în spațiu cu imaginea în oglindă.

Mai clar, chiralitate este atunci când îndoiți, de exemplu, o coală de hârtie uniform. Dacă este oblic, atunci aceasta este deja akhiralitate. Nanotubulenele pot avea structuri cu un singur strat și mai multe straturi. O structură multistrat nu este altceva decât mai multe nanotuburi cu un singur strat „îmbrăcate” unul la unul.

Istoria descoperirilor

Data exactă a descoperirii nanotuburilor și descoperitorul lor sunt necunoscute. Acest subiect este aliment pentru dezbatere și raționament, deoarece există multe descrieri paralele ale acestor structuri de către oamenii de știință din tari diferite. Principala dificultate în identificarea descoperitorului este că nanotuburile și nanofibrele, care se încadrează în câmpul de vedere al oamenilor de știință, perioadă lungă de timp nu le-au atras atentia atenta si nu au fost studiate cu atentie. Lucrările științifice existente demonstrează că posibilitatea de a crea nanotuburi și fibre din materiale care conțin carbon a fost teoretic permisă în a doua jumătate a secolului trecut.

Motivul principal pentru care nu s-au efectuat studii serioase ale compușilor de carbon microni pentru o lungă perioadă de timp este că la acea vreme oamenii de știință nu aveau o bază științifică suficient de puternică pentru cercetare, și anume, nu existau echipamente capabile să extindă obiectul de studiu la nivelul gradul necesar și strălucind prin structura lor. .

Dacă aranjam evenimentele în studiul compușilor de nanocarbon în ordine cronologică, atunci primele dovezi cade în 1952, când oamenii de știință sovietici Radushkevich și Lukyanovich au atras atenția asupra structurii nanofibroase formate în timpul descompunerii termice a monoxidului de carbon (numele rusesc este oxid). ). Structura observată cu ajutorul echipamentului de microscop electronic avea fibre cu un diametru de aproximativ 100 nm. Din păcate, lucrurile nu au mers mai departe decât repararea unei nanostructuri neobișnuite și nu a urmat nicio cercetare ulterioară.

După 25 de ani de uitare, din 1974, încep să ajungă în ziare informații despre existența structurilor tubulare micronice din carbon. Deci, un grup de oameni de știință japonezi (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) în timpul cercetărilor din 1974-1975. au prezentat publicului larg rezultatele unui număr de studii ale acestora, care conțineau o descriere a tuburilor subțiri cu un diametru mai mic de 100 Å, care au fost obținute din vapori în timpul condensării. De asemenea, formarea structurilor goale cu o descriere a structurii și mecanismului de formare obținută în studiul proprietăților carbonului a fost descrisă de oamenii de știință sovietici de la Institutul de Cataliză al Filialei Siberiene a Academiei de Științe a URSS în 1977.

Å (Agström) - o unitate de măsură a distanțelor, egală cu 10−10 m. În sistemul SI, o unitate apropiată ca valoare de angstrom este un nanometru (1 nm = 10 Å).

Fulerenele sunt molecule goale, sferice, sub formă de minge sau minge de rugby.

Și numai după ce a folosit cele mai noi echipamente în cercetarea lor științifică, care le permite să examineze în detaliu și să strălucească prin structura de carbon a nanotuburilor, omul de știință japonez Sumio Iijima a efectuat prima cercetare serioasă în 1991, în urma căreia nanotuburile de carbon au fost experimentale. obţinute şi studiate în detaliu. .

În cercetările sale, profesorul Ijima a expus grafitul pulverizat la o descărcare de arc electric pentru a obține un prototip. Prototipul a fost măsurat cu atenție. Dimensiunile sale au arătat că diametrul filamentelor (carcasei) nu depășește câțiva nanometri, cu o lungime de la unu la câțiva microni. Studiind structura unui nanotub de carbon, oamenii de știință au descoperit că obiectul studiat poate avea de la unul la mai multe straturi, constând dintr-o grilă hexagonală de grafit bazată pe hexagoane. În acest caz, capetele nanotuburilor seamănă structural cu o jumătate dintr-o moleculă de fullerenă tăiată în două.

La momentul studiilor de mai sus, existau deja lucrări ale unor oameni de știință atât de cunoscuți în domeniul lor precum Jones, L.A. Cernozatonsky, M.Yu. Kornilov, prezicând posibilitatea formării acestei forme alotropice de carbon, descriind structura, proprietățile fizice, chimice și alte proprietăți ale acesteia.

Proprietăți electrofizice

Proprietățile electrofizice ale nanotuburilor de carbon se află sub cel mai atent control de către comunitățile științifice din întreaga lume. Prin proiectarea nanotuburilor în anumite rapoarte geometrice, este posibil să le conferim proprietăți conductoare sau semiconductoare. De exemplu, diamantul și grafitul sunt ambele carbon, dar din cauza diferențelor de structură moleculară, au proprietăți diferite și, în unele cazuri, opuse. Astfel de nanotuburi sunt numite metalice sau semiconductoare.

Nanotuburi care conduc electricitate chiar și la temperaturi zero absolut, sunt metalice. Conductivitatea zero a curentului electric la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii, indică semnul distinctiv al unei nanostructuri semiconductoare.

Clasificarea principală este distribuită în funcție de metoda de pliere a planului de grafit. Metoda de pliere este indicată de două numere: „m” și „n”, care stabilesc direcția de pliere de-a lungul vectorilor rețelei de grafit. Proprietățile nanotuburilor depind de geometria plierii planului de grafit, de exemplu, unghiul de răsucire afectează direct proprietățile lor electrofizice.

În funcție de parametrii (n, m), nanotuburile pot fi: drepte (achirale), zimțate („fotoliu”), în zigzag și elicoidale (chirale). Pentru calcularea și planificarea conductivității electrice, se utilizează formula pentru raportul parametrilor: (n-m) / 3.

Un număr întreg obținut în calcul indică conductivitatea unui nanotub de tip metal, iar un număr fracționar indică un tip de semiconductor. De exemplu, toate tuburile de tip „scaun” sunt metalice. Nanotuburile de carbon de tip metalic conduc curentul electric la zero absolut. Nanotubulenele de tip semiconductor au conductivitate zero la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii.

Nanotuburile cu un tip metalic de conductivitate pot transmite aproximativ un miliard de amperi pe centimetru pătrat. Cuprul, fiind unul dintre cei mai buni conductori metalici, este inferior nanotuburilor în acești indicatori de mai mult de o mie de ori. Când limita de conductivitate este depășită, are loc încălzirea, care este însoțită de topirea materialului și distrugerea rețelei moleculare. Acest lucru nu se întâmplă cu nanotubulene în condiții egale. Acest lucru se datorează conductivității lor termice foarte ridicate, care este de două ori mai mare decât a diamantului.

În ceea ce privește rezistența, nanotubulena lasă și alte materiale mult în urmă. Este de 5-10 ori mai puternic decât cele mai puternice aliaje de oțel (1,28-1,8 TPa în modulul Young) și are o elasticitate de 100 de mii de ori mai mare decât cauciucul. Dacă comparăm indicatorii de rezistență la tracțiune, atunci aceștia depășesc caracteristicile de rezistență similare ale oțelului de înaltă calitate de 20-22 de ori!

Cum să obțineți ONU

Nanotuburile sunt obținute prin metode la temperatură înaltă și la temperatură scăzută.

Metodele la temperatură ridicată includ ablația cu laser, tehnologia solară sau descărcarea cu arc electric. Metoda la temperatură joasă a încorporat depunerea chimică în vapori folosind descompunerea catalitică a hidrocarburilor, creșterea catalitică în fază gazoasă din monoxid de carbon, producția de electroliză, tratamentul termic cu polimer, piroliza locală la temperatură joasă sau cataliză locală. Toate metodele sunt greu de înțeles, de înaltă tehnologie și foarte costisitoare. Producția de nanotuburi poate fi asigurată doar de o întreprindere mare cu o bază științifică puternică.

Simplificat, procesul de obținere a nanotuburilor din carbon prin metoda arcului este următorul:

O plasmă în stare gazoasă este introdusă într-un reactor încălzit la o anumită temperatură cu circuit închis printr-un aparat de injecție. În reactor, în părțile superioare și inferioare, sunt instalate bobine magnetice, dintre care una este anodul și cealaltă catodul. Bobinele magnetice sunt alimentate cu un curent electric constant. Plasma din reactor este afectată de un arc electric, care este rotit și de un câmp magnetic. Sub acțiunea unui arc de electroplasmă la temperatură înaltă de la suprafața anodului, care constă dintr-un material care conține carbon (grafit), carbonul se evaporă sau „se desprinde” și se condensează pe catod sub formă de nanotuburi de carbon conținute în precipitat. Pentru ca atomii de carbon să se poată condensa pe catod, temperatura din reactor este scăzută. Chiar și o scurtă descriere a acestei tehnologii face posibilă evaluarea complexității și costului obținerii nanotubulenelor. Va trece mult timp până când procesul de producție și aplicare devine disponibil pentru majoritatea întreprinderilor.

Galerie foto: Schemă și echipamente pentru obținerea nanotuburilor din carbon

Instalatie pentru sinteza nanotuburilor de carbon cu un singur perete prin metoda arcului electric Instalatie stiintifica de mica putere pentru obtinerea unei nanostructuri tubulare
Metoda de producție la temperatură scăzută

Instalație pentru producția de nanotuburi lungi de carbon

Sunt toxice?

Categoric da.

În curs cercetare de laborator oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile de carbon au un efect negativ asupra organismelor vii. Acest lucru, la rândul său, confirmă toxicitatea nanotuburilor și este din ce în ce mai puțin necesar ca oamenii de știință să se îndoiască de această problemă importantă.

Studiile au arătat că interacțiunea directă a nanotuburilor de carbon cu celulele vii duce la moartea acestora. În special nanotuburile cu un singur perete au activitate antimicrobiană puternică. Oamenii de știință au început să efectueze experimente pe o cultură comună a regnului bacteriilor (E. coli) E-Coli. În procesul de cercetare s-au folosit nanotuburi cu un singur strat cu un diametru de 0,75 până la 1,2 nanometri. După cum au arătat experimentele, ca urmare a impactului nanotuburilor de carbon asupra unei celule vii, pereții celulari (membranele) sunt deteriorați mecanic.

Nanotuburile obținute prin alte metode conțin o cantitate mare de metale și alte impurități toxice. Mulți oameni de știință presupun că însăși toxicitatea nanotuburilor de carbon nu depinde de morfologia lor, ci este direct legată de impuritățile conținute în ele (nanotuburi). Cu toate acestea, lucrările efectuate de oamenii de știință de la Yale în domeniul cercetării nanotuburilor au arătat o reprezentare eronată a multor comunități. Astfel, bacteriile de Escherichia coli (E-Coli) aflate în proces de cercetare au fost supuse tratamentului cu nanotuburi de carbon cu un singur perete timp de o oră. Ca urmare, majoritatea E-Coli au murit. Aceste studii în domeniul nanomaterialelor au confirmat toxicitatea și impactul negativ al acestora asupra organismelor vii.

Oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile cu un singur perete sunt cele mai periculoase, acest lucru se datorează raportului proporțional dintre lungimea unui nanotub de carbon și diametrul său.

Diverse studii privind efectul nanotuburilor de carbon asupra corpului uman au condus oamenii de știință la concluzia că efectul este identic, ca și în cazul fibrelor de azbest care intră în organism. Gradul de impact negativ al fibrelor de azbest depinde direct de dimensiunea acestora: cu cât este mai mic, cu atât impactul negativ este mai puternic. Și în cazul nanotuburilor de carbon, nu există nicio îndoială cu privire la efectul lor negativ asupra organismului. Intrând în corp cu aer, nanotubul se instalează prin pleura în piept, provocând astfel complicații grave, în special, tumori canceroase. Dacă pătrunderea nanotubulenelor în organism are loc prin alimente, acestea se așează pe pereții stomacului și intestinelor, provocând diverse boli și complicații.

În prezent, oamenii de știință efectuează cercetări privind compatibilitatea biologică a nanomaterialelor și căutarea de noi tehnologii pentru producerea în siguranță a nanotuburilor de carbon.

perspective

Nanotuburile de carbon ocupă o gamă largă de aplicații. Acest lucru se datorează faptului că au o structură moleculară sub formă de cadru, permițându-le astfel să aibă proprietăți care diferă de cele ale diamantului sau grafitului. Tocmai datorită caracteristicilor lor distinctive (rezistență, conductivitate, îndoire) nanotuburile de carbon sunt folosite mai des decât alte materiale.

Această invenție a carbonului este utilizată în electronică, optică, inginerie mecanică etc. Nanotuburile de carbon sunt utilizate ca aditivi la diferiți polimeri și compozite pentru a spori rezistența. compuși moleculari. La urma urmei, toată lumea știe că rețeaua moleculară a compușilor de carbon are o putere incredibilă, mai ales în forma sa pură.

Nanotuburile de carbon sunt, de asemenea, utilizate în producția de condensatoare și diferite tipuri de senzori, anozi, care sunt necesari pentru fabricarea bateriilor, ca absorbant de unde electromagnetice. Acest compus de carbon și-a găsit o aplicație largă în domeniul fabricării rețelelor de telecomunicații și a afișajelor cu cristale lichide. De asemenea, nanotuburile sunt folosite ca amplificator de proprietăți catalitice în producția de dispozitive de iluminat.

Aplicație comercială

Nanotuburile de carbon nu se limitează la anumite domenii de aplicare în diverse industrii. Materialul a fost inventat relativ recent și, în acest sens, este utilizat în prezent pe scară largă în dezvoltarea și cercetarea științifică în multe țări ale lumii. Acest lucru este necesar pentru un studiu mai detaliat al proprietăților și caracteristicilor nanotuburilor de carbon, precum și pentru stabilirea producției pe scară largă a materialului, deoarece în prezent ocupă o poziție destul de slabă pe piață.

Datorită proprietăților lor conductoare bune, utilizarea nanotuburilor de carbon în inginerie mecanică ocupă o gamă largă. Acest material este folosit ca dispozitive pentru răcirea agregatelor cu dimensiuni masive. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că nanotuburile de carbon au o conductivitate termică specifică ridicată.

Utilizarea nanotuburilor în dezvoltarea tehnologiei informatice joacă un rol important în industria electronică. Datorită utilizării acestui material, s-a stabilit producția pentru fabricarea de afișaje destul de plate. Acest lucru contribuie la producerea de echipamente computerizate compacte, dar, în același timp, caracteristicile tehnice ale calculatoarelor electronice nu se pierd, ci chiar cresc. Utilizarea nanotuburilor de carbon în dezvoltarea tehnologiei informatice și a industriei electronice va face posibilă realizarea unei producții de echipamente care vor fi de multe ori superioare din punct de vedere al caracteristicilor tehnice față de analogii actuali. Pe baza acestor studii, sunt deja create kinescoape de înaltă tensiune.

Probleme de utilizare

Una dintre problemele cu utilizarea nanotuburilor este impactul negativ asupra organismelor vii, ceea ce pune la îndoială utilizarea acestui material în medicină. Unii dintre experți sugerează că pot exista riscuri neapreciate în procesul de producție în masă a nanotuburilor de carbon. Adică, ca urmare a extinderii domeniului de aplicare a nanotuburilor, va fi nevoie de producția lor pe scară largă și, în consecință, va exista o amenințare pentru mediu.

Oamenii de știință propun să caute modalități de a rezolva această problemă prin aplicarea unor metode și metode mai ecologice pentru producerea de nanotuburi de carbon. De asemenea, sa sugerat ca producătorii acestui material să adopte o abordare serioasă a problemei „curățării” consecințelor procesului CVD, care, la rândul său, poate afecta creșterea costului produselor.

ÎN lumea modernă nanotuburile de carbon aduc o contribuție semnificativă la dezvoltarea tehnologiilor inovatoare. Experții dau prognoze pentru o creștere a producției de nanotuburi în următorii ani și o scădere a prețurilor la aceste produse. Acest lucru, la rândul său, va extinde domeniul de aplicare al nanotuburilor și va crește cererea consumatorilor de pe piață.

O altă clasă de clustere au fost formațiunile de carbon cilindrice alungite, care mai târziu, după elucidarea structurii lor, au fost numite „ nanotuburi de carbon„(CNT-uri). CNT-urile sunt molecule mari, uneori chiar extra-mari (peste 10 6 atomi) construite din atomi de carbon.

Tipic schema structurala CNT cu un singur perete și rezultatul calculului computerizat al orbitalilor săi moleculari sunt prezentate în Fig. 3.1. La vârfurile tuturor hexagoanelor și pentagoanelor reprezentate prin linii albe, există atomi de carbon în starea de hibridizare sp 2. Pentru a face vizibilă în mod clar structura cadrului CNT, atomii de carbon nu sunt afișați aici. Dar nu sunt greu de imaginat. Tonul de gri arată vederea orbitalilor moleculari ai suprafeței laterale a CNT-urilor.

Figura 3.1

Teoria arată că structura suprafeței laterale a unui CNT cu un singur perete poate fi imaginată ca un singur strat de grafit laminat într-un tub. Este clar că acest strat poate fi rulat numai în acele direcții în care alinierea rețelei hexagonale cu ea însăși este realizată atunci când suprafața cilindrică este închisă. Prin urmare, CNT-urile au doar un anumit set de diametre și sunt clasificate De vectori care indică direcția de pliere a rețelei hexagonale. Asta depinde de cum aspectși variații ale proprietăților CNT-urilor. Trei opțiuni tipice sunt prezentate în Figura 3.2.

Un set de posibile diametre CNT se suprapune gamă de la puțin mai puțin de 1 nm la multe zeci de nanometri. A lungime CNT-urile pot atinge zeci de micrometri. Record De Lungimile CNT au depășit deja limita de 1 mm.

CNT-uri suficient de lungi (când lungime mult mai mare decât diametrul) poate fi considerat ca un cristal unidimensional. Este posibil să se evidențieze o „celulă elementară” pe ele, care se repetă de multe ori de-a lungul axei tubului. Și acest lucru se reflectă în unele proprietăți ale nanotuburilor lungi de carbon.

În funcție de vectorul de pliere a stratului de grafit (expertii spun: „de la chiralitate") nanotuburile pot fi atât conductori, cât și semiconductori. CNT-urile așa-numitei structuri „șa” au întotdeauna o conductivitate electrică „metalic” destul de ridicată.

Orez. 3.2

„Capacele” care închid CNT-urile la capete pot fi și ele diferite. Au forma de „jumătăți” de fulerene diferite. Opțiunile lor principale sunt prezentate în Fig. 3.3.

Orez. 3.3 Principalele variante de „caps” ale unui CNT cu un singur perete

Există, de asemenea CNT-uri multistrat. Unele dintre ele arată ca un strat de grafit rulat într-un sul. Dar majoritatea constă din tuburi cu un singur strat introduse unul în celălalt, interconectate de forțele van der Waals. Dacă CNT-uri cu un singur perete aproape întotdeauna închis cu capace, atunci CNT-uri multistrat sunt, de asemenea, parțial deschise. Ele prezintă de obicei mult mai multe defecte structurale mici decât CNT-urile cu un singur perete. Prin urmare, pentru aplicațiile în electronică, se acordă preferință celor din urmă.

CNT-urile cresc nu numai rectilinii, ci și curbilinii, îndoiți pentru a forma un „genunchi” și chiar complet pliați sub forma unui fel de tor. Destul de des, mai multe CNT-uri sunt conectate ferm între ele și formează pachete.

Materiale folosite pentru nanotuburi

Dezvoltarea metodelor pentru sinteza nanotuburilor de carbon (CNT) a urmat calea scăderii temperaturilor de sinteză. După crearea tehnologiei de producere a fulerenelor, s-a constatat că în timpul evaporării arcului electric a electrozilor de grafit, împreună cu formarea fulerenelor, se formează structuri cilindrice extinse. Microscopistul Sumio Iijima, folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM), a fost primul care a identificat aceste structuri ca nanotuburi. Metodele la temperatură înaltă pentru producerea CNT includ metoda arcului electric. Dacă o tijă de grafit (anod) este evaporată într-un arc electric, atunci se formează o acumulare de carbon dur (depozit) pe electrodul opus (catod) în al cărui miez moale conține CNT cu pereți multipli cu un diametru de 15– 20 nm și o lungime mai mare de 1 μm.

Formarea CNT din funingine fullerenă sub acțiunea termică la temperatură înaltă asupra funinginei a fost observată pentru prima dată de grupurile de la Oxford și elveția. Instalația pentru sinteza arcului electric este intensivă în metal, consumatoare de energie, dar universală pentru obținerea diferitelor tipuri de nanomateriale de carbon. O problemă semnificativă este neechilibrul procesului în timpul arderii arcului. Metoda arcului electric a înlocuit la un moment dat metoda de evaporare cu laser (ablație) cu un fascicul laser. Unitatea de ablație este un cuptor de încălzire rezistiv convențional care oferă o temperatură de 1200°C. Pentru a obține temperaturi mai ridicate în acesta, este suficient să plasați o țintă de carbon în cuptor și să direcționați un fascicul laser spre ea, scanând alternativ întreaga suprafață a țintei. Așadar, grupul lui Smalley, folosind instalații scumpe cu un laser cu impuls scurt, a obținut nanotuburi în 1995, „simplificand semnificativ” tehnologia sintezei lor.

Cu toate acestea, randamentul CNT-urilor a rămas scăzut. Introducerea unor mici adaosuri de nichel și cobalt (0,5 at.%) în grafit a făcut posibilă creșterea randamentului CNT-urilor la 70–90%. Din acel moment, a început o nouă etapă în conceptul de mecanism de formare a nanotuburilor. A devenit evident că metalul este un catalizator de creștere. Astfel, au apărut primele lucrări privind producția de nanotuburi printr-o metodă la temperatură joasă - prin metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor (CVD), unde au fost folosite ca catalizator particule dintr-un metal din grupa fierului. Una dintre opțiunile pentru instalația pentru producția de nanotuburi și nanofibre prin metoda CVD este un reactor în care este alimentat un gaz purtător inert, care transportă catalizatorul și hidrocarbura în zona de temperatură înaltă.

Simplificat, mecanismul de creștere a CNT este următorul. Carbonul format în timpul descompunerii termice a hidrocarburii se dizolvă în nanoparticulele de metal. Când se atinge o concentrație mare de carbon în particule, pe una dintre fețele particulei de catalizator, are loc o „eliberare” favorabilă din punct de vedere energetic a excesului de carbon sub forma unui capac de semifuleren distorsionat. Așa se naște un nanotub. Carbonul descompus continuă să intre în particulele de catalizator și, pentru a elibera excesul de concentrație în topitură, acesta trebuie eliminat în mod constant. Emisfera ascendentă (semifulerenă) de la suprafața topiturii poartă cu ea excesul de carbon dizolvat, ai cărui atomi din afara topiturii formează o legătură C-C, care este un cadru-nanotub cilindric.

Temperatura de topire a unei particule într-o stare nanometrică depinde de raza acesteia. Cu cât raza este mai mică, cu atât punctul de topire este mai mic datorită efectului Gibbs-Thompson. Prin urmare, nanoparticulele de fier cu o dimensiune de aproximativ 10 nm sunt în stare topită sub 600°C. Până în prezent, sinteza la temperatură scăzută a CNT-urilor a fost realizată prin piroliza catalitică a acetilenei în prezența particulelor de Fe la 550°C. Reducerea temperaturii de sinteză are și consecințe negative. La temperaturi mai scăzute, se obțin CNT-uri cu un diametru mare (aproximativ 100 nm) și o structură puternic defectuoasă precum „bambus” sau „nanoconuri cuibărite”. Materialele rezultate constau doar din carbon, dar nici măcar nu se apropie de caracteristicile extraordinare (de exemplu, modulul lui Young) observate în nanotuburile de carbon cu un singur perete obținute prin ablație cu laser sau prin sinteza arcului electric.

Introducere

Chiar și acum 15-20 de ani, mulți nici măcar nu s-au gândit la posibila înlocuire a siliciului. Puțini și-ar fi putut imagina că deja la începutul secolului douăzeci și unu va începe o adevărată „cursă nanometrică” între companiile de semiconductori. Apropierea treptată de nanolume te face să te întrebi ce se va întâmpla în continuare? Va fi continuată celebra lege a lui Moore? La urma urmei, odată cu trecerea la standarde de producție mai subtile, dezvoltatorii se confruntă cu sarcini din ce în ce mai complexe. Mulți experți sunt în general înclinați să creadă că într-o duzină sau doi ani siliciul se va apropia de o limită de nedepășit din punct de vedere fizic, când nu va mai fi posibil să se creeze structuri de siliciu mai subțiri.

Judecând după cercetările recente, unul dintre cei mai probabili (dar deloc singurii) candidați pentru poziția de „înlocuitori de siliciu” sunt materialele pe bază de carbon - nanotuburi de carbon și grafen - care, probabil, pot deveni baza viitoarei nanoelectronici. Am vrut să vorbim despre ele în acest articol. Mai degrabă, vom vorbi mai mult despre nanotuburi, deoarece acestea au fost obținute mai devreme și sunt mai bine studiate. Există mult mai puține dezvoltări legate de grafen, dar acest lucru nu îi scade demnitatea. Unii cercetători cred că grafenul este un material mai promițător decât nanotuburile de carbon, așa că vom spune și astăzi câteva cuvinte despre el. Mai mult, unele realizări recente ale cercetătorilor dau puțin optimism.

De fapt, este foarte dificil să acoperim toate realizările din aceste domenii în dezvoltare rapidă în cadrul unui articol, așa că ne vom concentra doar asupra evenimentelor cheie din ultimele luni. Scopul articolului este de a familiariza pe scurt cititorii cu cele mai importante și mai interesante realizări recente în domeniul nanoelectronicii „de carbon” și domenii promițătoare de aplicare a acesteia. Pentru cei interesați, găsirea multor informații mai detaliate pe acest subiect nu ar trebui să fie dificilă (mai ales cu cunoașterea limbii engleze).

nanotuburi de carbon

După adăugarea unei alte forme (fulerene) la cele trei forme alotrope tradiționale de carbon (grafit, diamant și carabină), în următorii câțiva ani, a plouat o serie de rapoarte din laboratoarele de cercetare despre descoperirea și studiul diferitelor tipuri de carbon pe bază de carbon. structuri cu proprietăți interesante, cum ar fi nanotuburi, nanoringuri, materiale ultrafine etc.

În primul rând, ne interesează nanotuburi de carbon - structuri cilindrice alungite goale, cu un diametru de câțiva până la zeci de nanometri (lungimea nanotuburilor tradiționale este calculată în microni, deși structurile cu o lungime de ordinul milimetrilor și chiar centimetrilor sunt fiind deja obținute în laboratoare). Aceste nanostructuri pot fi reprezentate astfel: pur și simplu luăm o bandă dintr-un plan de grafit și o rulăm într-un cilindru. Desigur, aceasta este doar o reprezentare figurativă. În realitate, nu este posibil să obțineți direct un plan de grafit și să îl răsuciți „într-un tub”. Metodele de obținere a nanotuburilor de carbon sunt o problemă tehnică destul de complexă și voluminoasă, iar luarea în considerare a acestora depășește scopul acestui articol.

Nanotuburile de carbon sunt caracterizate printr-o mare varietate de forme. De exemplu, ele pot fi cu un singur perete sau cu mai mulți pereți (cu un singur strat sau cu mai multe straturi), drepte sau elicoidale, lungi sau scurte, etc. Este important că nanotuburile s-au dovedit a fi remarcabil de puternice în tensiune și îndoire. Sub acțiunea unor tensiuni mecanice mari, nanotuburile nu se rupe și nu se sparg, ci structura lor este pur și simplu rearanjată. Apropo, din moment ce vorbim despre puterea nanotuburilor, este interesant de observat unul dintre cele mai recente studii privind natura acestei proprietăți.

Cercetătorii de la Universitatea Rice conduși de Boris Jacobson au descoperit că nanotuburile de carbon se comportă ca „structuri inteligente de auto-vindecare” (studiul a fost publicat pe 16 februarie 2007 în jurnalul Physical Review Letters). Astfel, sub solicitări mecanice critice și deformații cauzate de schimbările de temperatură sau radiațiile radioactive, nanotuburile sunt capabile să se „repare” singure. Se pare că, pe lângă celulele cu 6 atomi de carbon, nanotuburile conțin și grupuri de cinci și șapte atomi. Aceste celule de 5/7 atomi prezintă un comportament neobișnuit, circulând de-a lungul suprafeței nanotubului de carbon ca niște bărci cu aburi pe mare. Când se produce deteriorarea la locul defectului, aceste celule participă la „vindecarea rănilor”, redistribuind energia.

În plus, nanotuburile prezintă multe proprietăți electrice, magnetice și optice neașteptate, care au devenit deja obiectul unui număr de studii. O caracteristică a nanotuburilor de carbon este conductivitatea lor electrică, care s-a dovedit a fi mai mare decât cea a tuturor conductorilor cunoscuți. De asemenea, au o conductivitate termică excelentă, sunt stabile din punct de vedere chimic și, cel mai interesant, pot dobândi proprietăți semiconductoare. În ceea ce privește proprietățile electronice, nanotuburile de carbon se pot comporta ca metale sau ca semiconductori, ceea ce este determinat de orientarea poligoanelor de carbon față de axa tubului.

Nanotuburile tind să adere strâns între ele, formând seturi formate din nanotuburi metalice și semiconductoare. Până acum, o sarcină dificilă este sinteza unei rețele de nanotuburi semiconductoare sau separarea (separarea) nanotuburilor semiconductoare de cele metalice. Ne vom familiariza mai departe cu cele mai recente metode de rezolvare a acestei probleme.

Grafen

Grafenul, în comparație cu nanotuburile de carbon, a fost obținut mult mai târziu. Poate că asta explică faptul că până acum auzim despre grafen în știri mult mai rar decât despre nanotuburi de carbon, deoarece este mai puțin studiat. Dar acest lucru nu îi scade meritele. Apropo, acum câteva săptămâni, grafenul a fost în centrul atenției în cercurile științifice, datorită unei noi dezvoltări a cercetătorilor. Dar mai multe despre asta mai târziu, dar acum puțină istorie.

În octombrie 2004, resursa informațională BBC News a raportat că profesorul Andre Geim și colegii săi de la Universitatea din Manchester (Marea Britanie), împreună cu grupul dr. Novoselov (Chernogolovka, Rusia), au reușit să obțină un material gros de un atom de carbon. Numit grafen, este o moleculă de carbon plană bidimensională cu o grosime de un atom. Pentru prima dată în lume, a fost posibil să se separe un strat atomic de un cristal de grafit.

În același timp, Game și echipa sa au propus așa-numitul tranzistor balistic pe bază de grafen. Grafenul va face posibilă crearea de tranzistori și alte dispozitive semiconductoare cu dimensiuni foarte mici (de ordinul mai multor nanometri). Reducerea lungimii canalului tranzistorului duce la o modificare a proprietăților acestuia. În nanolume, rolul efectelor cuantice este în creștere. Electronii se deplasează prin canal ca o undă de Broglie, iar acest lucru reduce numărul de ciocniri și, în consecință, crește eficiența energetică a tranzistorului.

Grafenul poate fi considerat ca un nanotub de carbon „desfăcut”. Mobilitatea crescută a electronilor îl face unul dintre cele mai promițătoare materiale pentru nanoelectronică. Din moment ce au trecut mai puțin de trei ani de la primirea grafenului, proprietățile acestuia nu au fost încă studiate foarte bine. Dar primele rezultate interesante ale experimentelor sunt deja acolo.

Ultimele progrese ale carbonului

De când ne-am familiarizat pentru prima dată cu nanotuburile de carbon (cronologic, au fost primele care au fost obținute), în această parte a articolului vom începe și cu ele. Probabil, ați putea avea următoarea întrebare: dacă nanotuburile de carbon sunt atât de bune și promițătoare, de ce nu au fost încă introduse în producția de masă?

Una dintre principalele probleme a fost deja menționată la începutul articolului. Nu a fost încă creată o metodă de sinteză a unei matrice constând numai din nanotuburi cu anumite proprietăți, formă și dimensiuni, care ar putea fi introduse în producția de masă. Se acordă mai multă atenție sortării unui tablou „mixt” format din nanotuburi cu proprietăți semiconductoare și metalice (sortarea după lungime și diametru nu este mai puțin importantă). Aici este oportun să amintim una dintre primele dezvoltări în acest domeniu, care aparține IBM, după care vom trece la cele mai recente realizări.

O lucrare din aprilie 2001, „Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown”, raportează că cercetătorii IBM au construit pentru prima dată un tranzistor bazat pe nanotuburi de carbon cu un diametru de 1 nanometru și câțiva microni lungime. Atenția s-a concentrat asupra faptului că au reușit să găsească o modalitate de a face astfel de producție în masă în viitor.

Oamenii de știință de la IBM au dezvoltat o metodă care le-a permis să distrugă toate nanotuburile metalice, lăsându-le intacte pe cele semiconductoare. În prima etapă, o serie de nanotuburi este plasată pe un substrat de dioxid de siliciu. Apoi, electrozii sunt formați deasupra nanotuburilor. Substratul de siliciu joacă rolul electrodului inferior și facilitează blocarea nanotuburilor semiconductoare. Apoi se aplică supratensiunea. Ca urmare, nanotuburile „neprotejate” cu proprietăți metalice sunt distruse, în timp ce cele semiconductoare rămân intacte.

Dar totul este doar în cuvinte, dar în realitate procesul în sine pare mult mai complicat. S-au raportat planuri pentru a duce dezvoltarea la perfecțiune în 3-4 ani (adică, până în 2004/2005), dar, după cum putem vedea, nu au existat încă rapoarte despre introducerea acestei tehnologii.

Acum să trecem la prezent și anume la sfârșitul toamnei trecute. Apoi, site-ul Technology Review a raportat o nouă metodă de sortare a nanotuburilor de carbon, care a fost dezvoltată de cercetătorii de la Universitatea Northwestern (Universitatea de Nord-Vest). Pe lângă separarea bazată pe proprietăți conductoare, această metodă permite și sortarea nanotuburilor după diametrul lor.

Este curios că inițial scopul era sortarea doar după diametru, iar capacitatea de sortare după conductivitate electrică a fost o surpriză pentru cercetătorii înșiși. Profesorul de chimie la Universitatea din Montreal (Montreal, Canada) Richard Martel a remarcat că noua metodă de sortare poate fi numită o descoperire majoră în acest domeniu.

Noua metodă de sortare se bazează pe ultracentrifugarea, care presupune rotirea materialului la viteze mari de până la 64 de mii de rotații pe minut. Înainte de aceasta, se aplică un agent tensioactiv pe rețeaua de nanotuburi, care, după ultracentrifugare, este distribuită neuniform în conformitate cu diametrul și conductivitatea electrică a nanotuburilor. Unul dintre cei care s-au familiarizat îndeaproape cu noua metodă, profesorul Andrew Rinzler de la Universitatea din Florida (Universitatea din Florida din Gainesville), a spus că metoda de sortare propusă va permite obținerea unei matrice cu o concentrație de tuburi semiconductoare de 99% și mai mare.

Noua tehnologie a fost deja folosită în scopuri experimentale. Folosind nanotuburi semiconductoare sortate, s-au creat tranzistori cu o structură relativ simplă care pot fi utilizați pentru a controla pixelii din panourile monitorului și TV.

Apropo, spre deosebire de metoda IBM, când nanotuburile metalice au fost pur și simplu distruse, cercetătorii de la Universitatea Northwestern pot obține și nanotuburi metalice folosind ultracentrifugarea, care poate fi folosită și în dispozitive electronice. De exemplu, pot fi utilizați ca electrozi transparenți în unele tipuri de afișaje și celule solare organice.

Nu vom aprofunda în alte probleme care împiedică introducerea nanotuburilor, precum dificultățile tehnologice de integrare în dispozitive electronice seriale, precum și pierderile semnificative de energie la joncțiunile metalului cu nanotuburi, care se datorează rezistenței mari de contact. Cel mai probabil, dezvăluirea acestor subiecte serioase va părea de puțin interes și prea complicată pentru cititorul obișnuit, în plus, poate dura câteva pagini.

În ceea ce privește grafenul, să începem să trecem în revistă realizările din acest domeniu în primăvara anului trecut. În aprilie 2006, revista Science Express a publicat un studiu fundamental al proprietăților grafenului, realizat de un grup de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din Georgia (GIT, SUA) și Centrul Național pentru cercetare științifică Franța (Centre National de la Recherche Scientifique).

Prima teză importantă a lucrării este că circuitele electronice pe bază de grafen pot fi produse de echipamente tradiționale utilizate în industria semiconductoarelor. Profesorul Institutului GIT Walt de Heer a rezumat succesul studiului după cum urmează: „Am arătat că putem crea material grafen, „tăi” structuri de grafen și, de asemenea, că grafenul are proprietăți electrice excelente. Acest material se caracterizează printr-o mobilitate ridicată a electronilor.”

Mulți oameni de știință și cercetători înșiși spun că au pus bazele (baza) electronicii cu grafen. Se observă că nanotuburile de carbon sunt doar primul pas către lumea nanoelectronicii. În viitorul electronicii, Walt de Heer și colegii săi văd exact grafenul. Este de remarcat faptul că cercetarea este susținută de Intel și nu aruncă bani la scurgere.

Să descriem acum pe scurt metoda de obținere a microcircuitelor de grafen și grafen propusă de Walt de Heer și colegii săi. Prin încălzirea unui substrat de carbură de siliciu în vid înalt, oamenii de știință forțează atomii de siliciu să părăsească substratul, lăsând doar un strat subțire de atomi de carbon (grafen). În pasul următor, ei aplică un material fotorezistent (fotorezist) și folosesc litografia tradițională cu fascicul de electroni pentru a grava „modelele” dorite, adică folosesc tehnologii de fabricație utilizate în mod obișnuit astăzi. Acesta este un avantaj semnificativ al grafenului față de nanotuburi.

Ca rezultat, oamenii de știință au reușit să graveze nanostructurile de 80 nm. În acest fel, a fost creat un tranzistor cu efect de câmp cu grafen. Un dezavantaj serios poate fi numit curenții mari de scurgere ai dispozitivului creat, deși oamenii de știință din acel moment nu erau deloc supărați. Ei credeau că în stadiul inițial acest lucru este destul de normal. În plus, a fost creat un dispozitiv de interferență cuantică complet funcțional care poate fi folosit pentru a controla undele electronice.

Începând cu primăvara anului trecut, nu au existat realizări importante precum dezvoltarea din aprilie. Cel puțin nu au apărut pe paginile site-urilor de internet. Însă luna februarie a acestui an a fost marcată de mai multe evenimente simultan și m-a făcut din nou să mă gândesc la „perspectivele grafenului”.

La începutul lunii trecute, AMO (grupul de nanoelectronice AMO) și-a prezentat dezvoltarea ca parte a proiectului ALEGRA. Inginerii AMO au reușit să creeze un tranzistor cu grad de sus din grafen, care face structura lor similară cu tranzistoarele moderne cu efect de câmp (MOSFET) de siliciu. Interesant este că tranzistorul cu grafen a fost creat folosind tehnologia tradițională de fabricație CMOS.

Spre deosebire de MOSFET-urile (MOS - Metal Oxide Semiconductor), tranzistoarele cu grafen create de inginerii AMO se caracterizează prin mobilitate mai mare a electronilor și viteză de comutare. Din păcate, momentan detaliile dezvoltării nu sunt dezvăluite. Primele detalii vor fi publicate în aprilie anul acesta în IEEE Electron Device Letters.

Acum să trecem la o altă dezvoltare „proaspătă” - un tranzistor cu grafen care funcționează ca un dispozitiv semiconductor cu un singur electron. În mod interesant, creatorii acestui dispozitiv ne sunt deja cunoscuți profesorul Geim, savantul rus Konstantin Novoselov și alții.

Acest tranzistor are regiuni în care sarcina electrică devine cuantificată. În acest caz se observă efectul blocadei coulombiane (în timpul tranziției electronului apare o tensiune care împiedică mișcarea următoarelor particule, își respinge semenii cu sarcina sa. Acest fenomen a fost numit blocada coulombiană. Datorită blocada, electronul următor va trece numai când cel anterior se va îndepărta de tranziție. Astfel, particulele vor putea „sări” doar la anumite intervale). Ca urmare, un singur electron poate trece prin canalul tranzistorului, care are doar câțiva nanometri lățime. Adică, devine posibilă controlul dispozitivelor semiconductoare cu un singur electron.

Capacitatea de a controla electronii individuali deschide noi oportunități pentru creatorii de circuite electronice. Ca rezultat, tensiunea porții poate fi redusă semnificativ. Dispozitivele bazate pe tranzistoare de grafen cu un singur electron vor fi caracterizate printr-o sensibilitate ridicată și o viteză excelentă. Desigur, dimensiunile vor scădea și ele cu un ordin de mărime. Important este că o problemă serioasă, caracteristică prototipului tranzistorului grafen Walt de Heer, a fost depășită - curenții mari de scurgere.

Trebuie remarcat faptul că dispozitivele cu un singur electron au fost deja create folosind siliciu tradițional. Dar problema este că majoritatea pot funcționa doar la temperaturi foarte scăzute (deși există deja mostre care funcționează la temperatura camerei, dar sunt mult mai mari decât tranzistoarele cu grafen). Creația lui Geim și a colegilor săi poate lucra cu ușurință la temperatura camerei.

Perspective pentru utilizarea nanomaterialelor de carbon

Cel mai probabil, această parte a articolului va fi cea mai interesantă pentru cititori. La urma urmei, teoria este un lucru, iar întruchiparea realizărilor științei în dispozitive reale utile unei persoane, chiar și prototipuri, ar trebui să fie de interes pentru consumator. În general, domeniul de aplicare posibil al nanotuburilor de carbon și al grafenului este destul de divers, dar ne interesează în primul rând lumea electronicii. Aș dori să remarc imediat că grafenul este un material de carbon „mai tânăr” și este încă la începutul drumului de cercetare, prin urmare, în această parte a articolului, accentul se va pune pe dispozitive și tehnologii bazate pe nanotuburi de carbon.

Afișări

Utilizarea nanotuburilor de carbon în afișaje este strâns legată de tehnologia FED (Field Emission Display), care a fost dezvoltată de compania franceză LETI și a fost introdusă pentru prima dată în 1991. Spre deosebire de un CRT, care utilizează până la trei așa-numiți catozi „fierbinți”, afișajele FED au folosit inițial o matrice de mulți catozi „reci”. După cum sa dovedit, o rată prea mare de respingere a făcut ca afișajele FED să nu fie competitive. În plus, în 1997-1998 a existat o tendință către o reducere semnificativă a costului panourilor cu cristale lichide, care, așa cum părea atunci, nu lăsa nicio șansă pentru tehnologia FED.

Creația LETI a primit un „al doilea vânt” până la sfârșitul secolului trecut, când au apărut primele studii ale afișajelor FED, în care s-a propus utilizarea unor rețele de nanotuburi de carbon ca catozi. O serie de producători importanți s-au arătat interesați de afișajele cu nanotuburi de carbon, inclusiv Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer și alții, bine-cunoscuti de toată lumea. În ilustrație vedeți una dintre opțiunile de implementare a afișajelor FED pe nanotuburi de carbon SDNT (nanotuburi de carbon cu diametru mic, nanotuburi de carbon cu diametru mic).

Se observă că afișajele FED pe nanotuburi de carbon pot concura cu panourile moderne cu o diagonală mare și în viitor vor concura serios în primul rând cu panourile cu plasmă (acum domină sectorul cu diagonale super-mari). Cel mai important, nanotuburile de carbon vor reduce semnificativ costurile de fabricație a afișajelor FED.

Din cele mai recente știri din lumea display-urilor cu nanotuburi FED, merită să ne amintim recentul anunț al Motorola că dezvoltările sale sunt aproape gata să părăsească zidurile laboratoarelor de cercetare și să treacă în producția de masă. Interesant este că Motorola nu intenționează să-și construiască propriile fabrici pentru producția de afișaje cu nanotuburi și se află în prezent în negocieri de licențiere cu mai mulți producători. Șeful de cercetare și dezvoltare al Motorola, James Jaskie, a menționat că două companii asiatice construiesc deja fabrici pentru a produce afișaje cu nanotuburi de carbon. Așadar, afișajele cu nanotuburi nu sunt un viitor atât de îndepărtat și este timpul să le luăm în serios.

Una dintre marile provocări cu care se confruntă inginerii Motorola a fost crearea unei metode la temperatură scăzută pentru producerea nanotuburilor de carbon pe un substrat (pentru a nu topi substratul de sticlă). Și această barieră tehnologică a fost deja depășită. De asemenea, raportează finalizarea cu succes a dezvoltării metodelor de sortare a nanotuburilor, care pentru multe companii care operează în această industrie a devenit un „obstacol de netrecut”.

Directorul DiplaySearch Steve Jurichich (Steve Jurichich) consideră că este prea devreme să ne bucurăm de Motorola. Până la urmă, mai rămâne o cucerire a pieței în față, unde locul „sub soare” a fost deja luat de producătorii de panouri cu cristale lichide și plasmă. Nu uitați de alte tehnologii promițătoare, cum ar fi OLED (dispozitive cu diode emițătoare de lumină organice), QD-LED (LED cu punct cuantic, un fel de afișaje LED care utilizează așa-numitele puncte cuantice, dezvoltate de compania americană QD Vision) . În plus, Samsung Electronics și un proiect comun privind introducerea ecranelor cu nanotuburi Canon și Toshiba (apropo, ei plănuiesc să înceapă livrările primelor afișaje cu nanotuburi până la sfârșitul acestui an).

Nanotuburile de carbon și-au găsit aplicație nu numai în afișajele FED. Cercetătorii de la laboratorul Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (Quebec, Canada) au propus utilizarea unui material bazat pe nanotuburi de carbon cu un singur perete ca electrozi pentru afișajele OLED. Potrivit site-ului Nano Technology World, noua tehnologie va permite crearea de hârtie electronică foarte subțire. Datorită rezistenței ridicate a nanotuburilor și matricei de electrozi extrem de subțiri, afișajele OLED pot fi foarte flexibile și, de asemenea, au un grad ridicat de transparență.

Memorie

Înainte de a începe o poveste despre cele mai interesante dezvoltări „carbon” din domeniul memoriei, aș dori să remarc că cercetarea în domeniul tehnologiilor de stocare a informațiilor în general este unul dintre domeniile cel mai activ în curs de dezvoltare în prezent. Recentul Consumer Electronic Show (Las Vegas) și Hanover CeBIT au arătat că interesul pentru diferite unități și sisteme de stocare a datelor nu scade în timp, ci doar crește. Și acest lucru nu este surprinzător. Gândiți-vă doar: conform organizației analitice IDC, în 2006, au fost generați aproximativ 161 de miliarde de gigaocteți de informații (161 de exaocteți), adică de zece ori mai mult decât în ​​anii precedenți!

În 2006 trecut, nu se putea decât să se minuneze de ideile inventive ale oamenilor de știință. Ce pur și simplu nu am văzut: memorie pe nanoparticule de aur și memorie bazată pe supraconductori și chiar memorie... pe viruși și bacterii! În ultima vreme Din ce în ce mai mult, știrile menționează astfel de tehnologii de memorie nevolatile precum MRAM, FRAM, PRAM și altele, care nu mai sunt doar exponate „de hârtie” sau prototipuri demonstrative, ci dispozitive complet funcționale. Deci, tehnologiile de memorie bazate pe nanotuburi de carbon reprezintă doar o mică parte a cercetării privind stocarea informațiilor.

Poate că vom începe povestea despre memoria „nanotuburilor” cu evoluțiile lui Nantero, care a devenit deja destul de faimoasă în domeniul său. Totul a început în 2001, când în tânăra companie au fost atrase investiții mari, ceea ce a făcut posibilă începerea dezvoltării active a unui nou tip de memorie NRAM nevolatilă bazată pe nanotuburi de carbon. Anul trecut am văzut câteva evoluții serioase ale lui Nantero. În aprilie 2006, compania a anunțat crearea unui comutator de memorie de tip NRAM fabricat la standardul de 22 nm. Pe lângă dezvoltarea proprietății Nantero, tehnologiile de producție existente au fost implicate în crearea unui nou dispozitiv. În luna mai a aceluiași an, tehnologia dispozitivului său cu nanotuburi de carbon a fost integrată cu succes în producția CMOS la LSI Logic Corporation (la fabrica ON Semiconductor).

La sfârşitul anului 2006 a avut loc un eveniment semnificativ. Nantero a anunțat că a depășit toate barierele tehnologice majore din calea producției în masă de cipuri de nanotuburi de carbon folosind echipamente tradiționale. S-a dezvoltat o metodă pentru depunerea nanotuburilor pe un substrat de siliciu folosind o metodă cunoscută precum spin-coating-ul, după care se utilizează litografia și gravarea, tradiționale pentru producția de semiconductori. Unul dintre avantajele memoriei NRAM este numit viteze mari Citeste, scrie.

Cu toate acestea, nu vom aprofunda în subtilitățile tehnice. Voi observa doar că astfel de realizări îi oferă lui Nantero toate motivele pentru a conta pe succes. Dacă inginerii companiei reușesc să ducă dezvoltarea la capătul logic și producția de cipuri NRAM nu va fi foarte costisitoare (și posibilitatea de a folosi echipamente existente ne dă dreptul să sperăm în acest lucru), atunci vom asista la apariția unui o nouă armă formidabilă pe piața memoriei, care poate stoarce serios tipurile de memorie existente, inclusiv SRAM, DRAM, NAND, NOR etc.

Ca și în multe alte domenii ale științei și tehnologiei, cercetarea memoriei nanotuburilor de carbon este efectuată nu numai de companii comerciale precum Nantero, ci și de laboratoare de lideri. institutii de invatamant pace. Dintre lucrările interesante dedicate memoriei „carbon”, aș dori să remarc dezvoltarea personalului Universității Politehnice din Hong Kong (Universitatea Politehnică din Hong Kong), publicată în aprilie anul trecut pe paginile publicației online Applied Physics Letters .

Spre deosebire de multe dezvoltări similare care funcționează doar la temperaturi foarte scăzute, dispozitivul creat de fizicienii Jiyan Dai și Lu (X. B. Lu) poate funcționa la temperatura camerei. Memoria nevolatilă creată de cercetătorii din Hong Kong nu este la fel de rapidă ca NRAM-ul lui Nantero, așa că perspectiva eliminării DRAM-ului de pe tron ​​este probabil să eșueze. Dar ca un potențial înlocuitor pentru memoria flash tradițională, poate fi luată în considerare.

Pentru a înțelege în termeni generali principiul funcționării acestei memorii, este suficient să ne uităm la ilustrația de mai jos (b). Nanotuburile de carbon (CNT, nanotuburi de carbon) joacă rolul unui strat de stocare a sarcinii (memorie). Ele par a fi cuprinse între două straturi de HfAlO (formate din hafniu, aluminiu și oxigen), care joacă rolul unei porți de control și al unui strat de oxid. Întreaga structură este plasată pe un substrat de siliciu.

O soluție destul de originală a fost propusă de oamenii de știință coreeni Jon Won Kang (Jeong Won Kang) și Kin Yan (Qing Jiang). Ei au reușit să dezvolte o memorie bazată pe așa-numitele nanotuburi telescopice. Principiul care stă la baza noii dezvoltări a fost descoperit în 2002 și a fost descris în lucrarea „Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators”. Autorii săi au reușit să stabilească că un nanotub cu un alt nanotub de diametru mai mic încorporat în el formează un oscilator, atingând o frecvență de oscilații de ordinul gigahertzului.

Viteza mare de alunecare a nanotuburilor imbricate în alte nanotuburi determină viteza unui nou tip de memorie. Yong Won Kang și Kin Yan susțin că designul lor poate fi folosit nu numai ca memorie flash, ci și ca memorie RAM de mare viteză. Principiul funcționării memoriei este ușor de înțeles pe baza figurii.

După cum puteți vedea, o pereche de nanotuburi imbricate este plasată între doi electrozi. Când o sarcină este aplicată unuia dintre electrozi, nanotubul interior se mișcă într-o direcție sau alta sub acțiunea forțelor van der Waals. Această dezvoltare are un dezavantaj semnificativ: un eșantion de astfel de memorie poate funcționa doar la temperaturi foarte scăzute. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că aceste probleme sunt temporare și pot fi depășite în următoarele etape de cercetare.

În mod firesc, multe evoluții vor rămâne naște moarte. La urma urmei, un prototip care lucrează în laborator este un lucru, dar pe drumul spre comercializarea tehnologiei există întotdeauna multe dificultăți, și nu numai pur tehnice, ci și materiale. În orice caz, lucrările existente inspiră un oarecare optimism și sunt destul de informative.

Procesoare

Acum să visăm ce fel de carbon pot avea viitorii procesoare. Giganții industriei procesoarelor caută în mod activ noi modalități de a extinde legea lui Gordon Moore și, în fiecare an, le devine din ce în ce mai dificil. Reducerea dimensiunii elementelor semiconductoare și densitatea uriașă a plasării lor pe un cristal de fiecare dată ridică o sarcină foarte dificilă de reducere a curenților de scurgere. Principalele direcții pentru rezolvarea unor astfel de probleme sunt căutarea de noi materiale pentru utilizarea în dispozitivele semiconductoare și schimbarea însăși a structurii acestora.

După cum probabil știți, recent IBM și Intel au anunțat aproape simultan utilizarea de noi materiale pentru a crea tranzistori care vor fi utilizați în următoarea generație de procesoare. Materialele pe bază de hafniu cu o constantă dielectrică ridicată (high-k) au fost propuse ca dielectric de poartă în loc de dioxid de siliciu. Când se creează un electrod de poartă, siliciul va fi înlocuit de aliaje metalice.

După cum putem vedea, chiar și astăzi există o înlocuire treptată a siliciului și a materialelor bazate pe acesta cu compuși mai promițători. Multe companii se gândesc de mult timp să înlocuiască siliciul. Unul dintre cei mai mari sponsori ai proiectelor de cercetare în domeniul nanotuburilor de carbon și al grafenului sunt IBM și Intel.

La sfârșitul lunii martie a anului trecut, un grup de cercetători de la IBM și două universități din Florida și New York au anunțat crearea primului circuit integrat electronic complet bazat pe un singur nanotub de carbon. Această schemă este de cinci ori mai subțire decât diametrul unui păr uman și poate fi observată doar printr-un microscop electronic puternic.

Cercetătorii IBM au reușit să atingă viteze de aproape un milion de ori mai rapide decât au fost realizate anterior cu mai multe circuite de nanotuburi. Deși aceste viteze sunt încă mai lente decât cipurile de siliciu de astăzi, oamenii de știință IBM sunt încrezători că noile procese de nanotehnologie vor debloca în cele din urmă potențialul enorm al electronicii cu nanotuburi de carbon.

Potrivit profesorului Joerg Appenzeller, generatorul de inele pe bază de nanotuburi creat de cercetători este un instrument excelent pentru studierea caracteristicilor carbonului. elemente electronice. Un oscilator inel este un circuit în care producătorii de cipuri testează de obicei fezabilitatea noilor procese de fabricație sau materiale. Această schemă ajută la prezicerea modului în care noile tehnologii se vor comporta în produsele finite.

De o perioadă relativ lungă de timp, Intel își desfășoară cercetările privind posibila utilizare a nanotuburilor de carbon în procesoare. Amintiți-vă că Intel nu este indiferent față de nanotuburi, a forțat recentul eveniment Symposium pentru Societatea Americană a Vidului, care a discutat în mod activ despre cele mai recente realizări ale companiei în acest domeniu.

Apropo, un cip prototip a fost deja dezvoltat, în care nanotuburile de carbon sunt folosite ca interconexiuni. După cum se știe. trecerea la standarde mai precise presupune o creștere a rezistenței electrice a conductoarelor de legătură La sfârșitul anilor 90, producătorii de microcircuite au trecut la utilizarea conductorilor de cupru în locul celor din aluminiu. Dar deja intră anul trecut chiar și cuprul nu mai satisface producătorii de procesoare și, treptat, pregătesc un înlocuitor pentru acesta.

Una dintre direcțiile promițătoare este utilizarea nanotuburilor de carbon. Apropo, așa cum am menționat la începutul articolului, nanotuburile de carbon nu numai că au o conductivitate mai bună în comparație cu metalele, dar pot juca și rolul semiconductorilor. Astfel, se pare că există o posibilitate reală în viitor de a înlocui complet siliciul în procesoare și alte microcircuite și de a crea cipuri realizate în întregime din nanotuburi de carbon.

Pe de altă parte, este, de asemenea, prea devreme pentru a „îngropa” siliciul. În primul rând, deplasarea completă a siliciului de către nanotuburi de carbon în microcircuite este puțin probabil să aibă loc în următorul deceniu. Și acest lucru este remarcat chiar de autorii dezvoltărilor de succes. În al doilea rând, siliciul are perspective. Pe lângă nanotuburile de carbon, siliciul are și șansa de a-și asigura un viitor în nanoelectronică - sub formă de nanofire de siliciu, nanotuburi, nanodoturi și alte structuri, care sunt, de asemenea, subiect de studiu în multe laboratoare de cercetare.

Postfaţă

În concluzie, aș dori să adaug că acest articol a reușit să acopere doar o foarte mică parte din ceea ce se întâmplă în prezent în domeniul nanoelectronicii cu carbon. Mințile strălucitoare continuă să inventeze tehnologii sofisticate, dintre care unele pot deveni fundamentul electronicii viitorului. Unii tind să creadă că nanoroboții, afișajele transparente, televizoarele care pot fi răsucite într-un tub subțire și alte dispozitive uimitoare rămân ficțiune și vor deveni realitate doar într-un viitor foarte îndepărtat. Dar o serie de studii uimitoare deja astăzi ne fac să credem că toate acestea nu sunt o perspectivă atât de îndepărtată.

În plus, în afară de nanotuburile de carbon și grafenul discutate în acest articol, au loc descoperiri uimitoare în electronica moleculară. Se desfășoară cercetări curioase în domeniul comunicării dintre lumea biologică și cea a siliciului. Există multe perspective pentru dezvoltarea industriei computerelor. Și probabil că nimeni nu se va angaja să prezică ce se va întâmpla peste 10-15 ani. Un lucru este clar: mai sunt multe descoperiri interesante și dispozitive uimitoare în fața noastră.

Surse de informații folosite la redactarea articolului

• [email protected] ()
• PhysOrg.com ()))
• Cercetare IBM()
• K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. „Efectul câmpului electric în filmele de carbon subțiri din punct de vedere atomic”
• K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov și A.K. Geim „Cristale atomice bidimensionale”
• Quanshui Zheng, Qing Jiang. „Nanotuburi de carbon cu pereți multipli ca oscilatoare Gigahertz”

Facultatea de Fizică

Catedra de Fizică a Semiconductoarelor și Optoelectronică

S. M. Plankina

"Nanotuburi de carbon"

Descrierea lucrărilor de laborator pentru curs

„Materiale și metode de nanotehnologie”

Nijni Novgorod 2006

Scopul acestei lucrări: să se familiarizeze cu proprietățile, structura și tehnologia de obținere a nanotuburilor de carbon și să studieze structura acestora prin metoda microscopiei electronice cu transmisie.

1. Introducere

Până în 1985, carbonul era cunoscut că există în natură în două stări alotropice: o formă 3D (structură de diamant) și o formă 2D stratificată (structură de grafit). În grafit, fiecare strat este format dintr-o rețea de hexagoane cu distanța dintre cei mai apropiați vecini d c - c =0,142 nm. Straturile sunt aranjate în secvența ABAB... (Fig. 1), unde atomii I se află direct deasupra atomilor din planurile adiacente, iar atomii II se află deasupra centrelor hexagoanelor din regiunile adiacente. Structura cristalografică rezultată este prezentată în Fig. 1a, unde a 1 și a 2 sunt vectori unitari în planul grafitului, c este un vector unitar perpendicular pe planul hexagonal. Distanța dintre planurile din rețea este de 0,337 nm.

Orez. 1. (a) Structura cristalografică a grafitului. Rețeaua este definită de vectorii unitari a 1 , a 2 și c. (b) Zona Brillouin corespunzătoare.

Deoarece distanța dintre straturi este mai mare decât distanța în hexuri, grafitul poate fi aproximat ca material 2D. Calculul structurii benzilor arată degenerarea benzilor în punctul K din zona Brillouin (vezi Fig. 1b). Acest lucru este deosebit de interesant, datorită faptului că nivelul Fermi traversează acest punct de degenerare, care caracterizează acest material ca un semiconductor cu un decalaj de energie de dispariție la T→0. Dacă calculele iau în considerare interacțiunile interplanare, atunci în structura benzilor există o tranziție de la un semiconductor la un semimetal datorită suprapunerii benzilor de energie.

În 1985, fulerenele au fost descoperite de Harold Kroto și Richard Smalley - forma 0D, constând din 60 de atomi de carbon. Această descoperire a fost acordată în 1996. Premiul Nobelîn chimie. În 1991, Iijima a descoperit o nouă formă 1D de carbon - formațiuni tubulare alungite de carbon numite „nanotuburi”. Dezvoltarea de către Kretschmer și Huffman a tehnologiei pentru producerea lor în cantități macroscopice a marcat începutul studiilor sistematice ale structurilor de suprafață ale carbonului. Elementul principal al unor astfel de structuri este un strat de grafit - o suprafață căptușită cu cinci-șase și heptagoane obișnuite (pentagoane, hexagoane și heptagoane) cu atomi de carbon localizați la vârfuri. În cazul fulerenelor, o astfel de suprafață are o formă sferică sau sferoidă închisă (Fig. 2), fiecare atom este asociat cu 3 vecini și legătura este sp 2 . Cea mai comună moleculă de fullerenă C60 este formată din 20 de hexagoane și 12 pentagoane. Dimensiunea sa transversală este de 0,714 nm. În anumite condiții, moleculele de C 60 pot fi ordonate și pot forma un cristal molecular. În anumite condiții, la temperatura camerei, moleculele de C 60 pot fi ordonate și formează cristale moleculare roșiatice cu o rețea cubică centrată pe față, al cărei parametru este de 1,41 nm.

Fig.2. Molecula C60.

2. Structura nanotuburilor de carbon

2.1 Unghiul de chiralitate și diametrul nanotuburilor

Nanotuburile de carbon sunt structuri extinse formate din straturi de grafit laminate într-un tub cu un singur strat (SWNT) sau multistrat (MWNT). Cel mai mic diametru cunoscut al nanotuburilor este de 0,714 nm, care este diametrul unei molecule de fullerenă C 60. Distanța dintre straturi este aproape întotdeauna de 0,34 nm, ceea ce corespunde distanței dintre straturi din grafit. Lungimea unor astfel de formațiuni ajunge la zeci de microni și depășește diametrul lor cu câteva ordine de mărime (Fig. 3). Nanotuburile pot fi deschise sau se termină în emisfere asemănătoare cu o jumătate de moleculă de fuleren.

Proprietățile unui nanotub sunt determinate de unghiul de orientare al planului de grafit față de axa tubului. Figura 3 prezintă două structuri posibile extrem de simetrice ale nanotuburilor - zigzag și fotoliu. Dar, în practică, majoritatea nanotuburilor nu au forme atât de simetrice; în ele, hexagoanele sunt răsucite în spirală în jurul axei țevii. Aceste structuri sunt numite chirale.

Fig.3. Modele idealizate de nanotuburi cu un singur perete cu orientări în zigzag (a) și fotoliu (b).

Orez. 4. Nanotuburile de carbon se formează prin răsucirea planurilor de grafit într-un cilindru, conectând punctul A cu A. Unghiul de chiralitate este definit ca q - (a). Tub de tip fotoliu, cu h = (4.4) - (b). Pasul P. depinde de unghiul q - (c).

Există un număr limitat de scheme care pot fi folosite pentru a construi un nanotub dintr-un strat de grafit. Luați în considerare punctele A și A "în Fig. 4a. Vectorul care leagă A și A" este definit ca c h \u003d na 1 + ma 2, unde n, m sunt numere reale, a 1 și 2 sunt vectori unitari în planul grafitului . Tubul se formează atunci când stratul de grafit este rulat și punctele A și A sunt conectate. Apoi este determinat în mod unic de vectorul c h .Figura 5 prezintă schema de indexare pentru vectorul de rețea c h .

Indicii de chiralitate ai unui tub cu un singur strat determină în mod unic diametrul acestuia:

unde este constanta rețelei. Relația dintre indici și unghiul de chiralitate este dată de:

Fig.5. Schema de indexare a vectorului lattice c h .

Nanotuburile în zigzag sunt determinate de unghi Q =0° , care corespunde vectorului (n, m)= (n, 0). În ele, legăturile C-C sunt paralele cu axa tubului (Fig. 3, a).

Structura fotoliului se caracterizează printr-un unghi Q = ± 30°, corespunzător vectorului (n, m) = (2n, -n) sau (n, n). Acest grup de tuburi va avea Conexiune C-C, perpendicular pe axa tubului (Fig. 3b și 4b). Combinațiile rămase formează tuburi de tip chiral, cu unghiuri de 0°<<Q <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла Q .

2.2 Structura nanotuburilor multistrat

Nanotuburile multistrat diferă de nanotuburile cu un singur strat într-o varietate mult mai mare de forme și configurații. Diversitatea structurilor se manifestă atât pe direcția longitudinală, cât și pe cea transversală. Varietăți posibile ale structurii transversale a nanotuburilor multistrat sunt prezentate în Fig. 6. O structură de tip „matryoshka rusă” (Fig. 6a) este un set de nanotuburi cilindrice cu un singur strat imbricate coaxial. O altă variantă a acestei structuri, prezentată în Fig. 6b este un set de prisme coaxiale imbricate. În cele din urmă, ultima dintre structurile de mai sus (Fig. 6c) seamănă cu un pergament. Toate structurile de mai sus sunt caracterizate prin valoarea distanței dintre straturile adiacente de grafit, care este apropiată de valoarea de 0,34 nm, care este inerentă distanței dintre planurile adiacente de grafit cristalin. Realizarea unei structuri sau alteia într-o situație experimentală specifică depinde de condițiile sintezei nanotuburilor.

Studiile asupra nanotuburilor multistrat au arătat că distanțele dintre straturi pot varia de la valoarea standard de 0,34 nm la dublul valorii de 0,68 nm. Acest lucru indică prezența defectelor în nanotuburi, atunci când unul dintre straturi este parțial absent.

O porțiune semnificativă de nanotuburi cu pereți multiplu poate avea o secțiune transversală poligonală, astfel încât suprafețele plane să fie adiacente zonelor de suprafață cu curbură mare care conțin margini cu un grad ridicat de carbon hibridizat sp 3. Aceste margini limitează suprafețele compuse din carbon sp 2 hibridizat și determină multe dintre proprietățile nanotuburilor.

Figura 6. Modele de structuri transversale ale nanotuburilor multistrat (a) - „Matryoshka rusă”; (b) prismă hexagonală; (c) - defilare.

Un alt tip de defecte, deseori observate pe suprafața de grafit a nanotuburilor multistrat, este asociat cu încorporarea în suprafață, care constă în principal din hexagoane, a unei anumite cantități de pentagoane sau heptagoane. Prezența unor astfel de defecte în structura nanotuburilor duce la o încălcare a formei lor cilindrice, iar inserarea unui pentagon provoacă o îndoire convexă, în timp ce inserarea unui heptagon contribuie la apariția unei coturi ascuțite în formă de cot. Astfel, astfel de defecte provoacă apariția nanotuburilor îndoite și elicoidale, iar prezența unor elice cu pas constant indică o aranjare mai mult sau mai puțin regulată a defectelor pe suprafața nanotubului. S-a descoperit că țevile pentru scaune pot fi conectate la țevi în zig-zag prin intermediul unei conexiuni în cot, incluzând un pentagon în exteriorul cotului și un heptagon în interiorul acestuia. De exemplu, în fig. 7 prezintă legătura dintre conducta de scaun (5.5) și conducta de zigzag (9.0).

Orez. 7. Ilustrația „conexiunii în cot” dintre tubul scaunului (5.5) și tubul în zigzag (9.0). (a) Desen în perspectivă cu inele umbrite pentagonale și hexagonale, (b) structură proiectată pe planul de simetrie al cotului.

3. Metode de obţinere a nanotuburilor de carbon

3.1 Obținerea grafitului într-o descărcare cu arc

Metoda se bazează pe formarea de nanotuburi de carbon în timpul pulverizării termice a unui electrod de grafit într-o plasmă cu descărcare în arc care arde într-o atmosferă de heliu. Această metodă face posibilă obținerea de nanotuburi într-o cantitate suficientă pentru un studiu detaliat al proprietăților lor fizico-chimice.

Tubul poate fi obținut din fragmente extinse de grafit, care sunt apoi răsucite într-un cilindru. Formarea fragmentelor extinse necesită condiții speciale pentru încălzirea grafitului. Condițiile optime pentru obținerea nanotuburilor sunt realizate într-o descărcare cu arc folosind grafit electrolitic ca electrozi. Pe fig. Figura 8 prezintă o schemă simplificată a instalației pentru producția de fullerene și nanotuburi.

Pulverizarea cu grafit se realizează prin trecerea unui curent cu o frecvență de 60 Hz prin electrozi, curentul este de la 100 la 200 A, tensiunea este de 10-20 V. Prin reglarea tensiunii arcului, este posibil să se asigure că partea principală a puterii de intrare este eliberată în arc și nu în tija de grafit. Camera este umplută cu heliu la o presiune de 100 până la 500 torr. Rata de evaporare a grafitului în această instalație poate ajunge la 10 g/W. În acest caz, suprafața carcasei de cupru, răcită cu apă, este acoperită cu produsul de evaporare a grafitului, adică. funingine de grafit. Dacă pulberea rezultată este răzuită și păstrată timp de câteva ore în toluen clocotit, se obține un lichid maro închis. Când este evaporată într-un evaporator rotativ, se obține o pulbere fină, greutatea sa nu depășește 10% din greutatea funinginei de grafit originală, conține până la 10% fulerene și nanotuburi.

În metoda descrisă pentru obținerea nanotuburilor, heliul joacă rolul unui gaz tampon. Atomii de heliu transportă energia eliberată atunci când fragmentele de carbon se combină. Experiența arată că presiunea optimă de heliu pentru obținerea fulerenelor este în intervalul 100 Torr, pentru obținerea nanotuburilor - în intervalul 500 Torr.

Orez. 8. Schema instalației de producere a fulerenelor și nanotuburilor. 1 - electrozi de grafit; 2 - autobuz de cupru răcit; 3 - carcasă de cupru, 4 - arcuri.

Dintre diversele produse de pulverizare termică a grafitului (fulerene, nanoparticule, particule de funingine), o mică parte (câteva procente) este reprezentată de nanotuburi multistrat, care sunt parțial atașate de suprafețele reci ale instalației, parțial depuse pe suprafață împreună. cu funingine.

Nanotuburile cu un singur perete se formează atunci când se adaugă la anod un mic amestec de Fe, Co, Ni, Cd (adică prin adăugarea de catalizatori). În plus, SWNT-urile sunt obținute prin oxidarea nanotuburilor multipereți. În scopul oxidării, nanotuburile multipereți sunt tratate cu oxigen la încălzire moderată sau cu acid azotic la fierbere, în acest din urmă caz, inelele de grafit cu cinci membri sunt îndepărtate, ducând la deschiderea capetelor tuburilor. Oxidarea permite ca straturile superioare să fie îndepărtate din tubul multistrat și capetele acestuia să fie expuse. Deoarece reactivitatea nanoparticulelor este mai mare decât cea a nanotuburilor, fracția de nanotuburi din partea rămasă crește odată cu distrugerea semnificativă a produsului de carbon ca urmare a oxidării.

3.2 Metoda de evaporare cu laser

O alternativă la creșterea nanotuburilor într-o descărcare cu arc este metoda de evaporare cu laser. În această metodă, SWNT-urile sunt sintetizate în principal prin evaporarea unui amestec de carbon și metale de tranziție cu un fascicul laser de la o țintă constând dintr-un aliaj de metal cu grafit. În comparație cu metoda de descărcare cu arc, evaporarea directă permite un control mai detaliat al condițiilor de creștere, operațiuni lungi și producerea de nanotuburi cu randamente mai mari și o calitate mai bună. Principiile fundamentale care stau la baza producției de SWNT prin evaporare cu laser sunt aceleași ca și în metoda de descărcare cu arc: atomii de carbon încep să se acumuleze și să formeze un compus la locul particulelor de catalizator metalic. În configurație (Fig. 9), fasciculul laser de scanare a fost focalizat într-un punct de 6-7 mm pe o țintă care conținea metal grafit. Ținta a fost plasată într-un tub umplut (la presiune ridicată) cu argon și încălzit la 1200°C. Funinginea care s-a format în timpul evaporării laser a fost transportată de fluxul de argon din zona de temperatură înaltă și depusă pe un colector de cupru răcit cu apă situat la ieșirea tubului.

Orez. 9. Schema configurației ablației cu laser.

3.3 Depuneri chimice de vapori

Depunerea chimică în vapori din plasmă (CVD) se bazează pe faptul că o sursă gazoasă de carbon (cel mai adesea metan, acetilenă sau monoxid de carbon) este expusă unei surse de înaltă energie (plasmă sau bobină încălzită rezistiv) pentru a împărți molecula în un carbon atomic activ reactiv. Apoi, este pulverizat pe un substrat încălzit acoperit cu un catalizator (de obicei acestea sunt metale de tranziție din prima perioadă Fe, Co, Ni, etc.), pe care se depune carbon. Nanotuburile se formează numai sub parametrii strict respectați. Reproducerea exactă a direcției de creștere a nanotuburilor și poziționarea lor la nivel nanometru poate fi realizată numai atunci când sunt obținute prin metoda PDT catalitică. Este posibil un control precis asupra diametrului nanotuburilor și a ratei de creștere a acestora. În funcție de diametrul particulelor de catalizator, numai SWCNT-urile sau MWNT-urile pot crește. În practică, această proprietate este utilizată pe scară largă în tehnologia de creare a sondelor pentru microscopia cu sonde de scanare. Prin setarea poziției catalizatorului la capătul acului de siliciu al cantileverului, este posibilă creșterea unui nanotub, care va îmbunătăți semnificativ reproductibilitatea caracteristicilor și rezoluția microscopului, atât în ​​timpul scanării, cât și în timpul operațiilor litografice.

De obicei, sinteza nanotuburilor prin metoda PDT are loc în două etape: prepararea unui catalizator și creșterea efectivă a nanotuburilor. Catalizatorul este depus prin pulverizarea metalului de tranziție pe suprafața substratului și apoi, folosind gravarea chimică sau recoacere, este inițiată formarea particulelor de catalizator, pe care ulterior cresc nanotuburi (Fig. 10). Temperatura în timpul sintezei nanotuburilor variază de la 600 la 900 °C.

Dintre numeroasele metode PDT, trebuie menționat metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor (Fig. 10), în care este posibil să se implementeze un control flexibil și separat al condițiilor de formare a nanotuburilor.

Fierul este de obicei utilizat ca catalizator, care se formează într-un mediu reducător din diverși compuși ai fierului (clorură de fier (III), salicilat de fier (III) sau pentacarbonil de fier). Un amestec de săruri de fier cu o hidrocarbură (benzen) este pulverizat în camera de reacție fie cu un flux direcționat de argon, fie folosind un pulverizator cu ultrasunete. Aerosolul rezultat cu un flux de argon intră în reactorul de cuarț. În zona cuptorului de preîncălzire, fluxul de aerosoli este încălzit la o temperatură de ~250 °C, hidrocarbura se evaporă și începe procesul de descompunere a sării care conține metal. În plus, aerosolul intră în zona cuptorului de piroliză, la care temperatura este de 900 °C. La această temperatură, pe particulele metalice și pe pereții reactorului au loc formarea particulelor de catalizator micro și nanodimensionate, piroliza hidrocarburilor și formarea diferitelor structuri de carbon, inclusiv nanotuburi. Apoi, fluxul de gaz, care se deplasează prin tubul de reacție, intră în zona de răcire. Produsele de piroliză sunt depuse la capătul zonei de piroliză pe o tijă de cupru răcită cu apă.

Orez. 10. Schema instalarii pirolizei catalitice a hidrocarburilor.

4. Proprietățile nanotuburilor de carbon

Nanotuburile de carbon combină proprietățile moleculelor și solidelor și sunt considerate de unii cercetători drept o stare intermediară a materiei. Rezultatele primelor studii ale nanotuburilor de carbon indică proprietățile lor neobișnuite. Unele proprietăți ale nanotuburilor cu un singur perete sunt prezentate în tabel. 1.

Proprietățile electrice ale SWNT sunt în mare măsură determinate de chiralitatea lor. Numeroase calcule teoretice oferă o regulă generală pentru determinarea tipului de conductivitate SWCNT:

tuburile cu (n, n) sunt întotdeauna metalice;

tuburile cu n – m= 3j, unde j nu este un întreg zero, sunt semiconductori cu o bandă interzisă mică; iar restul sunt semiconductori cu bandgap mare.

De fapt, teoria benzilor pentru tuburi n – m = 3j oferă un tip de conductivitate metalică, dar când planul este curbat, se deschide un mic decalaj în cazul j non-zero. Nanotuburile de tip fotoliu (n, n) în reprezentarea cu un electron rămân metalice indiferent de curbura suprafeței, care se datorează simetriei lor. Pe măsură ce raza tubului R crește, banda interzisă pentru semiconductori cu lățimi mari și mici scade conform legii 1/R și, respectiv, 1/R 2. Astfel, pentru majoritatea nanotuburilor observate experimental, decalajul cu o lățime mică, care este determinat de efectul de curbură, va fi atât de mic încât în ​​aplicațiile practice toate tuburile cu n – m = 3j la temperatura camerei sunt considerate a fi metalice.

tabelul 1

Rezistența mecanică ridicată a nanotuburilor de carbon în combinație cu conductivitatea lor electrică face posibilă utilizarea lor ca sondă în microscoapele cu sondă de scanare, ceea ce mărește rezoluția dispozitivelor de acest tip cu câteva ordine de mărime și le plasează la egalitate cu un astfel de dispozitiv unic ca microscop cu ioni de câmp.

Nanotuburile au caracteristici ridicate de emisie; densitatea de curent de emisie de câmp la o tensiune de circa 500 V la temperatura camerei atinge o valoare de ordinul a 0,1 A. cm -2 . Acest lucru deschide posibilitatea de a crea o nouă generație de afișaje pe baza acestora.

Nanotuburile cu capăt deschis prezintă un efect capilar și sunt capabile să atragă metale topite și alte substanțe lichide. Implementarea acestei proprietăți a nanotuburilor deschide perspectiva creării de fire conductoare cu un diametru de aproximativ un nanometru.

Utilizarea nanotuburilor în tehnologia chimică pare foarte promițătoare, ceea ce este asociat, pe de o parte, cu suprafața lor specifică ridicată și stabilitatea chimică și, pe de altă parte, cu posibilitatea de a atașa diferiți radicali la suprafața nanotuburilor, care pot servi ulterior fie ca centre catalitici, fie ca nuclee.pentru diverse transformări chimice. Formarea de către nanotuburi a structurilor elicoidale orientate aleator răsucite în mod repetat duce la apariția unui număr semnificativ de cavități de dimensiuni nanometrice în interiorul materialului nanotubului, accesibile pentru pătrunderea lichidelor sau gazelor din exterior. Ca urmare, suprafața specifică a unui material compus din nanotuburi este aproape de valoarea corespunzătoare pentru un nanotub individual. Această valoare în cazul unui nanotub cu un singur strat este de aproximativ 600 m2g-1. O valoare atât de mare a suprafeței specifice a nanotuburilor deschide posibilitatea utilizării lor ca material poros în filtre, dispozitive cu tehnologie chimică etc.

În prezent, au fost propuse diferite opțiuni pentru utilizarea nanotuburilor de carbon în senzorii de gaz, care sunt utilizate activ în ecologie, energie, medicină și agricultură. Au fost creați senzori de gaz bazați pe modificarea puterii termoelectrice sau a rezistenței în timpul adsorbției de molecule de diferite gaze pe suprafața nanotuburilor.

5. Aplicarea nanotuburilor în electronică

Deși aplicațiile tehnologice ale nanotuburilor bazate pe suprafața lor specifică mare prezintă un interes aplicat semnificativ, cele mai atractive sunt acele direcții de utilizare a nanotuburilor care sunt asociate cu evoluțiile în diverse domenii ale electronicii moderne. Asemenea proprietăți ale unui nanotub, precum dimensiunea sa mică, care variază considerabil în funcție de condițiile de sinteză, conductivitatea electrică, rezistența mecanică și stabilitatea chimică, fac posibilă luarea în considerare a unui nanotub ca bază pentru viitoarele elemente microelectronice.

Introducerea unui nanotub cu un singur strat ca defect în structura ideală a unei perechi pentagon-heptagon (ca în Fig. 7) îi modifică chiralitatea și, în consecință, proprietățile sale electronice. Dacă luăm în considerare structura (8.0)/(7.1), atunci din calcule rezultă că tubul cu chiralitate (8.0) este un semiconductor cu o bandă interzisă de 1,2 eV, în timp ce un tub cu chiralitate (7 ,1) este un semimetal. Astfel, acest nanotub îndoit ar trebui să reprezinte o tranziție moleculară metal-semiconductor și poate fi folosit pentru a crea o diodă de redresare, unul dintre elementele principale ale circuitelor electronice.

În mod similar, ca urmare a introducerii unui defect, pot fi obținute heterojoncțiuni semiconductor-semiconductor cu valori diferite ale benzii interzise. Astfel, nanotuburile cu defecte încorporate pot sta la baza unui element semiconductor de dimensiuni reduse record. Problema introducerii unui defect în structura ideală a unui nanotub cu un singur perete prezintă anumite dificultăți tehnice, dar se poate aștepta ca, ca urmare a dezvoltării tehnologiei recent create pentru obținerea nanotuburilor cu un singur perete, cu o anumită chiralitate, aceasta problema va fi rezolvată cu succes.

Pe baza nanotuburilor de carbon, a fost posibil să se creeze un tranzistor, care în proprietățile sale depășește circuitele similare din siliciu, care este în prezent componenta principală în fabricarea microcircuitelor semiconductoare. Electrozii de platină sursă și dren au fost formați pe suprafața unui substrat de siliciu de tip p sau n acoperit preliminar cu un strat de SiO2 de 120 nm și s-au depus nanotuburi cu un singur strat din soluție (Fig. 11).

Fig.11. Tranzistor cu efect de câmp pe un nanotub semiconductor. Nanotubul se află pe un substrat neconductor (cuarț) în contact cu două fire ultra-subțiri; un strat de siliciu (a) este folosit ca al treilea electrod (poartă); dependenţa conductivităţii din circuit de potenţialul de poartă (b) 3 .

Exercițiu

1. Familiarizați-vă cu proprietățile, structura și tehnologia obținerii nanotuburilor de carbon.

2. Pregătiți materialul care conține nanotuburi de carbon pentru examinare prin microscopie electronică cu transmisie.

3. Obțineți o imagine focalizată a nanotuburilor la diferite măriri. La cea mai mare rezoluție posibilă, estimați dimensiunea (lungimea și diametrul) nanotuburilor propuse. Faceți o concluzie despre natura nanotuburilor (monostrat sau multistrat) și defectele observate.

Întrebări de control

1. Structura electronică a materialelor carbonice. Structura nanotuburilor cu un singur strat. Structura nanotuburilor multistrat.

2. Proprietățile nanotuburilor de carbon.

3. Principalii parametri care determină proprietățile electrice ale nanotuburilor. Regula generală pentru determinarea tipului de conductivitate a unui nanotub cu un singur perete.

5. Domenii de aplicare ale nanotuburilor de carbon.

6. Metode de obținere a nanotuburilor: metoda de descompunere termică a grafitului într-o descărcare în arc, metoda evaporării cu laser a grafitului, metoda depunerii chimice în vapori.

Literatură

1. Harris, P. Nanotuburi de carbon și structuri aferente. Materiale noi ale secolului XXI. / P. Harris - M.: Technosfera, 2003.-336 p.

2. Eletsky, A. V. Nanotuburi de carbon / A. V. Eletsky // Succese în științe fizice. - 1997.- T 167, nr. 9 - S. 945 - 972

3. Bobrinetsky, I. I. Formarea și studiul proprietăților electrofizice ale structurilor plane bazate pe nanotuburi de carbon. Disertație pentru gradul de candidat în științe tehnice// II Bobrinetsky. – Moscova, 2004.-145 p.

Bernaerts D. și colab./ în Fizica și chimia fulerenelor și derivatelor (Eds H. Kusmany și colab.) – Singapore, World Scientific. – 1995. – P.551

Thes A. și colab. / Știință. - 1996. - 273 - P. 483

Wind, S. J. Scalare verticală a tranzistoarelor cu efect de câmp cu nanotuburi de carbon folosind electrozi de poartă superioară / S. J. Wind, Appenzeller J., Martel R., Derycke și Avouris P. // Appl. Fiz. Lett. - 2002.- 80. Str.3817.

Tans S.J., Devoret M.H., Dai H. // Nature.1997. V.386. P.474-477.

Alte forme de carbon: grafen, întărit - grafen de întărire , carabină, diamant, fullerenă, nanotuburi de carbon, mustăți.

Descrierea nanotuburilor de carbon:

Nanotuburile de carbon sunt o modificare de carbon a carbonului, care sunt structuri cilindrice goale cu un diametru de la zece la câteva zeci de nanometri și o lungime de la un micrometru la câțiva centimetri, constând din unul sau mai multe planuri de grafen laminate într-un tub.

Nanotuburile de carbon sunt una dintre formele alotrope de carbon împreună cu diamantul, grafitul, grafenul, fulerenul, carabina etc.

Dacă priviți un nanotub de carbon printr-un microscop cu o mărire de un milion de ori, puteți vedea un cilindru gol, a cărui suprafață este formată din multe poligoane hexagonale. În vârful unui poligon echilateral se află un atom de carbon. Un nanotub de carbon seamănă vizual cu o foaie de hârtie rulată într-un tub, dar în loc de o suprafață de hârtie, ar trebui luat în considerare un plan de grafit (mai precis, grafen). În comunitatea științifică, planul cilindric al tubului este de obicei numit grafen. Grosimea planului de grafen nu depășește un atom de carbon.

Lungimea unui nanotub de carbon poate fi de până la câțiva centimetri. Unii oameni de știință au reușit să sintetizeze nanotuburi de carbon cu lungimea de până la 20 cm. Pentru a obține structuri mai lungi, acestea pot fi țesute în fire de lungime nelimitată.

Proprietățile fizice ale nanotuburilor sunt direct proporționale cu chiralitate (trăsătura celor mai mici particule ale unei substanțe nu este complet suprapusă pe imaginea sa în oglindă). Gradul de chiralitate este determinat de dependența care există între indici speciali de chiralitate (n, m) și un anumit unghi de pliere a tubului (α).

În acest caz, indicii de chiralitate (n, m) sunt coordonatele vectorului rază R în sistemul de coordonate oblic specificat pe planul grafenului, care determină orientarea axei tubului în raport cu planul grafenului și diametrul acestuia. Indicele (n, m) indică locația acelui hexagon al grilei, care, ca urmare a plierii tubului, trebuie să coincidă cu hexagonul de la origine.

Tipuri și clasificare a nanotuburilor de carbon:

În funcție de indicii de chiralitate, există: nanotuburi de carbon drepte, zimțate, în zig-zag și elicoidale.

În funcție de numărul de straturi de grafen, nanotuburile de carbon sunt împărțite în cu un singur strat (cu un singur perete) și cu mai multe straturi (cu mai mulți pereți).

Cel mai simplu tip de nanotub conține un singur strat. Diametrul nanotuburilor cu un singur perete poate fi de un nanometru, lungimea poate depăși versiunea anterioară de mii de ori. Un nanotub cu un singur strat este adesea identificat cu un „model” de grafen, care are o structură de grilă și constă din nenumărate poligoane regulate.

Nanotuburile multistrat conțin mai multe straturi de grafen. Se caracterizează printr-o mare varietate de forme și configurații. Mai mult, diversitatea structurilor se manifestă atât pe direcția longitudinală, cât și pe cea transversală. Iată următoarele tipuri:

- nanotuburi sub forma unui set de tuburi cilindrice imbricate coaxial, așa-numitele. tip „matryoshka rusă” (păpuși rusești),

– nanotuburi sub forma unui set de prisme coaxiale (hexagonale) imbricate,

– nanotuburi sub formă de scroll (scroll).

Distanța dintre straturile adiacente de grafen este de 0,34 nm, ca în grafitul obișnuit.

În funcție de tipul de capete, nanotuburile de carbon sunt:

- deschis,

– închis (se termină cu o emisferă, care poate fi considerată ca jumătate dintr-o moleculă de fuleren).

În funcție de proprietățile lor electronice, nanotuburile de carbon sunt împărțite în:

- metal. Diferența indicilor de chiralitate (n – m) este divizibilă cu 3 sau indicii sunt egali între ei,

- semiconductor. Alte valori ale indicilor de chiralitate (n și m).

Tipul de conductivitate al nanotuburilor depinde de chiralitatea lor, adică. din grupul de simetrie căruia îi aparține un anumit nanotub și se supune unei reguli simple: dacă indicii nanotubului sunt egali între ei sau diferența lor este împărțită la trei, nanotubul este un semimetal, în orice alt caz prezintă semiconductor proprietăți.

Proprietățile și avantajele nanotuburilor de carbon:

- au proprietati de adsorbtie. Ele pot stoca diferite gaze, de exemplu, hidrogen. Odată înăuntru, atomii și moleculele nu mai pot ieși afară, pentru că. capetele tubului sunt sigilate și nu pot trece prin planurile de grafen ale cilindrului, deoarece rețelele de carbon sunt prea înguste pentru majoritatea atomilor,

- au efect capilar. Nanotuburile de carbon cu un capăt deschis atrag substanțe lichide și metale topite,

– îmbunătățirea performanței altor materiale atunci când sunt adăugate la structura lor,

- putere mare. Nanotuburile de carbon sunt de 50-100 de ori mai puternice decât cele mai bune calități de oțel,

- au o densitate de șase ori mai mică decât oțelul obișnuit. Aceasta înseamnă că materialele bazate pe nanotuburi de carbon cu același volum vor fi de zece ori mai puternice. Un nanocable Pământ-Lună, constând dintr-un singur nanotub de carbon, poate fi înfășurat pe o bobină de dimensiunea unei semințe de mac,

este modulul lui Young carbon nanotuburile sunt de două ori mai mari decât cele convenționale fibre de carbon,

– un fir mic de nanotuburi de carbon cu un diametru de 1 mm poate rezista la o sarcină care cântărește 20 de tone, care este de sute de miliarde de ori mai mare decât propria sa masă;

- rezistenta mare la foc,

– suprafață specifică mare – până la 2600 m 2 /g,

– flexibilitate ridicată. Ele pot fi întinse, comprimate, răsucite etc., fără teama de a le deteriora în vreun fel. Ele seamănă cu tuburi de cauciuc rigide care nu se rupe sau nu se rup sub diferite sarcini mecanice. Cu toate acestea, sub acțiunea tensiunilor mecanice care le depășesc pe cele critice, nanotuburile nu numai că nu se rupe sau se sparg, ci pur și simplu se reconstruiesc, menținând în același timp rezistența ridicată, flexibilitatea și alte proprietăți mecanice și electrice,

– rezistenta mare la uzura. Deformarea repetată (mii și zeci de mii de cicluri de răsucire/desfășurare, compresie/întindere pe minut) a nanotuburilor nu afectează în niciun fel rezistența acestora, conductivitatea lor electrică și termică. Nu există semne de deformare sau uzură,

– conductivitate electrică și termică crescută. Conductibilitatea cuprului ca cel mai bun conductor metalic tabelele D.I. Mendeleev, de 1000 de ori mai rău decât nanotuburile de carbon. În acest caz, conductivitatea electrică a tuburilor depinde de indicele de chiralitate. În unele cazuri, nanotuburile pot fi semiconductori, în altele pot prezenta proprietățile conductoarelor aproape ideale. În acest din urmă caz, prin nanotuburi poate fi trecut un curent electric de 10 7 A / cm 2 și acestea nu vor emite căldură (în timp ce un conductor obișnuit de cupru s-ar evapora imediat),

- relația dintre proprietățile electrice și mecanice,

- toxicitate si carcinogenitate asemanatoare fibrelor de azbest. În același timp, toxicitatea și carcinogenitatea nanotuburilor (precum și a fibrelor de azbest) sunt foarte diferite și depind de diametrul și tipul fibrelor. Până în prezent, cercetările continuă cu privire la compatibilitatea biologică a nanotuburilor cu organismele vii. În orice caz, atunci când lucrați cu nanotuburi, trebuie să respectați măsurile de siguranță și, în primul rând, să asigurați protecția organelor respiratorii și digestive,

- prezintă un efect memristor,

- ocupa o pozitie intermediara intre cristale si atomii individuali. Prin urmare, cererea carbon nanotuburile vor contribui la miniaturizarea dispozitivelor,

– cu ajutorul nanotuburilor de carbon se pot crea heterostructuri semiconductoare, adică structuri metalice/semiconductoare sau joncțiunea a doi semiconductori diferiți,

- posedă conductivitate termică ridicată, disipează eficient căldura,

- captează unde radio cu o frecvență de 40 până la 400 MHz (unde AM și FM convenționale), apoi le amplifica și le transmite;

- hidrofob. Respinge apa.

Proprietățile fizice ale nanotuburilor de carbon:

Obținerea nanotuburilor de carbon:

Cele mai eficiente metode pentru sinteza nanotuburilor includ:

- Ablația prin laser,

– depunerea chimică a unui substrat dintr-un mediu gazos sub acţiunea unui catalizator la o temperatură de 700°C (CVD).

– pulverizarea termică a unui electrod de grafit într-o plasmă cu descărcare în arc într-o atmosferă de heliu.

Totuși, în urma acestor metode, se obține un amestec de diferite nanotuburi de carbon: multi-pereți și mono-pereți, cu diametre diferite, cu indici de chiralitate diferiți și, în consecință, cu proprietăți diferite. Prin urmare, apare o problemă tehnică serioasă în izolarea nanotuburilor cu parametri dați.

Aplicații ale nanotuburilor de carbon:

- microelectronica,

– ionistori (ultracondensatori, supercondensatoare),

- textile tehnice,

- acoperiri radio-absorbante,

- piese auto,

– sonde pentru microscop de forță atomică,

– baterii cu o durată lungă de viață,

– Materiale structurale compozite cu caracteristici de performanță îmbunătățite,

– vopsele antifouling (pentru a proteja părțile subacvatice ale navelor),

- materiale plastice conductoare,

- ecrane plate

- muschi artificiali. Mușchiul artificial format din fire răsucite de nanotuburi de carbon cu adaos de parafină este de 85 de ori mai puternic decât un om,

Producerea reacției de substituție Producători Tipuri Descoperire Proprietăți mecanice și aplicații Densitate Studiul proprietăților Dimensiuni Funcționalizare Structura de producție Metode Metode de producere a nanotuburilor de carbon
nanotuburi de carbon cu pereți multiplu
cum se face un nanotub de carbon

Rata cererii 2 374