ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Кафедра ИУ4 МГТУ им. Н.Э.Баумана «Проектирование и технология производства электронно-вычислительных средств» Двенадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва» Автор Еременко Александра Сергеевна Москва, ГОУ СОШ 303 Научный руководитель Власов Андрей Игоревич к.т.н., доцент, зам. зав. кафедрой ИУ4 по научной работе МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва 2009

Цель исследования 1. Изучение свойств и основных характеристик углеродных волокон и углеродных нанотрубок. 2. Изучение особенностей сканирования наноразмерных объектов на поверхности с помощью СЗМ NanoEducator. 3. Получение топографии углеродных волокон на поверхности кремниевой подложки. Задачи исследования 1.Освоение методики работы на атомно-силовом микроскопе со сканирующим устройством NanoEducator 2.Обработка полученных изображений Объект исследования Углеродные волокна и углеродные нанотрубки

Углеродные волокна и нанотрубки Углеродные нанотрубки и волокна обычно получают обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода 99%. Углеродные нанотрубки (УНТ) - нитевидные протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, с протяженными внутренними полостями Углеродные волокна (УВ) - нитевидные наночастицы без протяженных внутренних полостей Углеродные нанотрубки Углеродное волокно

Классификация углеродных нанотрубок Осевая дислокация вдоль оси УНТ. (A)Ахиральная нанотрубка в конфигурации «зигзаг» (n, 0) (B) Хиральные нанотрубки (n, 2) 1.прямые (ахиральные) нанотрубки - «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m - зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0 2.спиральные (хиральные) нанотрубки Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя целыми числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. По значению (n, m) различают:

Однослойные и многослойные нанотрубки Углеродная многослойная нанотрубка Углеродная однослойная нанотрубка Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SWNTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм. Многослойные нанотрубки Модель «матрешка» Модель «пергамента»

Свойства углеродных нанотрубок 1. Высокая электропроводность 2. Высокая эффективность тока эмиссии 3. Прочность 4. Сверхпроводимость 5. Излучательная способность в области видимого и ИК диапазона 6. Капиллярные эффекты Возможные применения углеродных нанотрубок в микроэлектронике 1.транзисторы 2.нанопровода 3.прозрачные проводящие поверхности 4.топливные элементы Полевой нанотранзистор

Получение СЗМ изображения углеродных волокон Свойства исследуемых углеродных волокон Плотность кг/м³ Диаметр волокна (мкм) Модуль упругости (ГПа) Средняя прочность на базе 10мм. (ГПа) Предельная деформация % Образец (1)16007,01502,01,3 Образец (2)19007,05002,00,4 В качестве экспериментальных образцов использовались фрагменты углеродного волокна размером 1х1 см, полученные методом катодного распыления углеродных электродов. Свойства образцов указаны в нижеприведенной таблице: Исследование проводится на СЗМ NanoEducator методом АСМ вПолуконтактном режиме. Размер сканов 15×15мкм

СЗМ исследование углеродных волокон На слайде представлены фрагменты углеродных волокн. Как видно из приведенных данных поверхность образца 2 отличается существенно большей однородностью, чем поверхность образца 1. Неоднородность поверхности второго образца лежит в пределах 100нм. В то время как неоднородность поверхности углеродных тканей первого образца лежит в пределах 1000нм. Образец (1) Образец (2)

Выводы Углеродные нанотрубки и углеродные волокна сходны по характеристикам и использованию, а так же по методикам изготовления. Обнаружены неоднородности образцов, различающихся более чем на порядок. Причины различия в неоднородностях скорее всего обусловлены технологическими особенностями получения тканей. Используемая методика не может являться эффективным способом контроля технологических режимов получения углеродных тканей. Сканирующий зонд NanoEducator позволяет исследовать поверхности углеродных тканей с хорошей информативностью результата, но не слишком высокой точностью для оценки результата.