Выполнил: студент 2 курса БГПУ им. М. Акмуллы Сабиров Дамир Данилевич

Содержание Введение Нанотрубка Получение углеродных нанотрубок Свойства нанотрубок Область внедрения Заключение

Введение В настоящее время технология достигла критической точки своего развития, когда применение микрообъектов уже невозможно. Нужно переходить на новый - наноуровень. В связи с этим возникла необходимость получения транзисторов, проволок с размерами примерно от 1 до 20 нанометров. В 1985г. была найдено решение этой проблемы - открыты нанотрубки, а с 1990г. научились получать их в объемах, достаточных для изучения. В этой работе перед нами была поставлена задача разобраться в природе углеродных нанотрубок, рассмотреть некоторые их свойства и возможные методы применения. И хотя пока существует множество проблем и трудностей с получением и изучением физико-химических свойств, ясно одно - за нанотехнологиями будущее.

НАНОтрубка Нанотрубка - протяженная цилиндрическая структура диаметром от одного до нескольких десятков нанометров. Она состоит из одного или нескольких слоёв, каждый из которых представляет гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из 6- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена.Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году. Нанотрубки бывают однослойные и многослойные. Здесь все ясно из самого названия – либо один слой графена, либо несколько. Надо сказать, что внутри нанотрубка пустая. И заканчивается она с двух сторон полусферической головкой (напоминает половинку футбольного мяча – тоже состоит из пяти- и шестиугольников.)

Получение углеродных нанотрубок Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 Торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок (deposit), в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см 2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около В, ток разряда несколько десятков ампер, межэлектродное расстояние 1-2 мм. В процессе синтеза % массы анода переосаждается на катоде. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм.Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может.

Получение углеродных нанотрубок Для разделения компонентов полученного углеродного материала используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифужной пробирки, а нанотрубки остаются диспергированными в суспензии. Затем нанотрубки промывают азотной кислотой, водой и окисляют в потоке воздуха и паров воды при температуре °C в течение 5-30 мин. В результате такой обработки получается достаточно лёгкий и пористый материал, состоящий из многостенных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм.

Свойства нанотрубок Классификация нанотрубок Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проилюстрировано на рисунке. Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий (на Рис. вектор вертикальный) и свернуть вдоль направления вектора R. По значению параметров (n, m) различают прямые (ахиральные) нанотрубки «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0 спиральные (хиральные) нанотрубки

Свойства нанотрубок Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если n- m делится на 3. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

Свойства нанотрубок Одностенные нанотрубки Структура одностенных (single-walled) нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки схиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С- С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой

Свойства нанотрубок Многостенные нанотрубки Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

Область внедрения Благодаря своим уникальным свойствам нанотрубки могут найти (и уже находят) много применений. Обладая хорошей электропроводимостью, они могут использоваться в качестве проводов для различных приборов, в качестве элементов для компьютеров (вместо существующих кремниевых). Нанотрубки в 5 раз прочнее стали, а еще нанотрубки не ломаются, а лишь перестраиваются! При этом они тоже начинают проявлять необычное свойство – они становятся «гетероструктурой» Одна половинка «согнутой нанотрубки становится металлом, другая – полупроводником, такая конструкция найдет множество применений в тех же компьютерах! Кроме структуры «металл + полупроводник», может образовываться стык двух полупроводников – так называемый «нанотранзистор». Одно из наиболее перспективных использований нанотрубок – это в качестве иглы для СТМ (ведь нанотрубка – идеальная игла!).

Область внедрения Основной потенциал использования нанотрубок в наноэлектронике заключается в возможности создания субмикронных элементов для электронных схем – нанотранзисторов, нанодиодов, нанокатодов. Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих структур. Замедление волн поверхностью применяется в электронике для достижения взаимодействия с электронным потоком. Другими продуктами наноэлектроники из нанотрубок могут стать топливные элементы и энергоустановки на их основе. В настоящее время в топливных элементах используются электрокатализаторы (металлы платиновой группы) на углеродных носителях, однако нанотрубки справились бы с подобными задачами эффективнее. Наиболее пригодны нанотрубки вертикально ориентированные к подложке. Благодаря большой плотности нанопор на единицу площади подобный фильтр намного быстрее проводит очистку жидкостей, что и позволяет создавать наномембраны системы фильтрации и опреснения воды, а также фильтры для очистки газов и воздуха. Кроме всего прочего, нанотрубки, а точней зонды с нанотрубками, применяются для прецезионного сканирования и для нанолитографии. Особоострые зонды найдут свое применение в начинающей развиваться новой области зондовой микроскопии – спектрометрии для туннельно- спектроскопических измерений.

Заключение Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками. К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала. Тем не менее такие свойства нанотрубок, как сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости и способность присоединять к себе различные химические радикалы, позволяют надеяться на эффективное применение нанотрубок в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успешного решения этих задач мы станем свидетелями еще одного примере эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.