Nanotubos de carbono: producción, aplicación, propiedades. Nanotubos de carbono nanotubos de carbono

El tercer estado de carbono (excepto diamante y grafito) es revolucionario conquistar el mundo de las nuevas tecnologías.
Aquí hay extractos de varios artículos (con sílice en ellos).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/physics/135.html.
Muchas de las direcciones de perspectiva en la ciencia material, la nanotecnología, la nanoelectrónica, la química aplicada se asocian recientemente con fullerenos, nanotubos y otras estructuras similares que se pueden llamar estructuras de marco de carbono térmico comunes. ¿Qué es?
Las estructuras de marco de carbono son moléculas grandes (y, a veces, gigantesciales) que consisten exclusivamente en átomos de carbono. Incluso puede decir que las estructuras marco de carbono son una nueva forma de carbono alotrópico (además del diamante y grafito de larga data). La característica principal de estas moléculas es su forma de esqueleto: se ven cerrados, vacíos dentro de la "concha".
Finalmente, se esfuerza por una variedad de aplicaciones que ya están inventadas para los nanotubos. Lo primero que sugiere en sí mismo es el uso de nanotubos como varillas microscópicas y hilos muy duraderos. ¡A medida que muestran los resultados de experimentos y simulación numérica, el módulo JUNG de un nanotube de una sola capa alcanza los valores de aproximadamente 1-5 TPA, que es un orden de magnitud más que el acero! Es cierto que actualmente la longitud máxima de los nanotubos es decenas y cientos de micrones, lo que, por supuesto, es muy grande en escala atómica, pero demasiado poco para el uso diario. Sin embargo, la longitud de los nanotubos obtenidos en el laboratorio aumenta gradualmente: ahora los científicos ya se han acercado a la línea milimétrica: vea el trabajo que describe la síntesis de los nanotubos múltiples con una longitud de 2 mm. Por lo tanto, ¡hay todas las razones para esperar que en los científicos cercanos futuros aprenda cómo cultivar nanotubos de longitud en centímetros e incluso metros! Por supuesto, afectará enormemente las tecnologías futuras: porque el grosor "cable" con el cabello humano capaz de mantener cientos de kilogramos encontrará innumerables aplicaciones.
Las propiedades eléctricas inusuales de los nanotubos los convierten en uno de los principales materiales de nanoelectrónica. Ya creó muestras con experiencia de transistores de campo basados \u200b\u200ben un nanotube: ¿Aplicando un voltaje de bloqueo de varios voltios, los científicos han aprendido a cambiar la conductividad de los nanotubos de una sola capa por 5 pedidos!
Ya hay varias aplicaciones de nanotubos en la industria de la computadora. Por ejemplo, se crean y prueban prototipos de pantallas planas delgadas que operan en la matriz Nanotube. Bajo la acción del voltaje aplicado a uno de los extremos de los nanotubos, los electrones que caen en la pantalla fosforescente comienzan a emitirse desde el otro extremo y causar un brillo de píxeles. La imagen de grano resultante será fantásticamente pequeña: ¡el orden del micrón!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid\u003d44.
Un intento de fotografiar a los nanotubos utilizando una cámara ordinaria con un brote llevado al hecho de que el bloque de nanotubos a la luz del flash hizo un algodón fuerte y, brillantemente brilló, explotó.
Los científicos compartidos argumentan que el fenómeno abierto inesperadamente abierto de los tubos de "riesgo de explosión" puede encontrar nuevos para este material, aplicaciones completamente inesperadas, hasta el uso de detonadores para socavar el salario. Y también, obviamente, cuestionará o dificultará los usarlos en ciertas áreas.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html.
Se abre la perspectiva de una extensión significativa del recurso de baterías recargables.

http://vivovoco.nns.ru/vv/journal/vran/session/nano1.htm.
Las estructuras de nanotubos de carbono son un nuevo material para la electrónica de emisión.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html.
Incluso en 1996, se encontró que los nanotubos de carbono individuales pueden tirar espontáneamente en los canales de 100-500 tubos de fibra, y la fuerza de estos pasteles era más que la del diamante. Más precisamente, son 10- 12 veces más fuertes y 6 veces más fácil de acero. Usted simplemente imagina: ¡el hilo con un diámetro de 1 milímetro podría soportar carga de 20 toneladas, cientos de miles de millones de veces más de su propio peso! Aquí están de tales hilos y puede obtener cables de trabajo pesado de longitud larga. Desde los mismos materiales ligeros y duraderos, también se puede construir el marco del ascensor: la altura gigante de la torre en tres diámetros de la tierra. Según ella, los pasajeros y las cabinas de carga aumentarán la gran velocidad, debido a los imanes superconductores, lo que, nuevamente, se suspenderá en cuerdas de nanotubos de carbono. El tráfico de flete colosal en el espacio le permitirá comenzar el desarrollo activo de otros planetas.
Si alguien le interesa este proyecto, detalles (en ruso), puede ver, por ejemplo, en el sitio http://private.peterlink.ru/geograd/space/future.htm. Solo no hay una palabra sobre tubos de carbono.
Y en http://www.eunet.lv/library/win/klark/fontany.txt, puede leer la novela Arthur Clark "Fountains of Paradise", que él mismo consideró su mejor trabajo.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Según los expertos, las nanotecnologías ya han permitido crear microprocesadores para 2007, que contendrán aproximadamente 1 billón de transistores y podrán trabajar a una frecuencia de hasta 20 gigahertz a un voltaje de suministro de menos de 1 voltio.

Transistor Nanotube
Se ha creado el primer transistor que consiste enteramente de nanotubos de carbono. Esto abre la perspectiva de reemplazar las fichas de silicio habituales con componentes más rápidos, baratos y más pequeños.
El primer transistor de Nanotube del mundo es un nanotubo de una forma en forma de Y, que se comporta como un transistor familiar: el potencial aplicado a una de las "piernas" le permite controlar el paso actual entre otros dos. Al mismo tiempo, la característica Volt-Ampere del "Transistor Nanotube" es casi perfecta: la corriente o los flujos, o no.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?opendocument
Según el artículo por el artículo publicado el 20 de mayo en la revista científica, las letras físicas aplicadas, los expertos de IBM han mejorado los transistores en los nanotubos de carbono. Como resultado de los experimentos con diversas estructuras moleculares, los investigadores pudieron lograr la mayor conductividad para la conductividad de hoy para los transistores en los nanotubos de carbono. Cuanto mayor sea la conductividad, más rápido, el transistor y los circuitos integrados más potentes se pueden construir sobre su base. Además, los investigadores encontraron que la conductividad de los transistores en los nanotubos de carbono más del doble del indicador correspondiente para los transistores de silicona más rápidos del mismo tamaño.

http://kv.by/index2003323401.htm.
Un grupo de profesores de la Universidad de California en Berkeley Alex Zettl hizo otro gran avance en el campo de la nanotecnología. Los científicos han creado el primer motor nano-escala más pequeño basado en nanotubos de múltiples piedras, como se informó en la revista "Nature" el 24 de julio. Un nanotubo de carbono realiza un tipo de papel de eje en el que se monta el rotor. Las dimensiones máximas del nanotorchik de aproximadamente 500 nm, el rotor tiene una longitud de 100 a 300 nm, pero el eje nanotube tiene un tamaño en un diámetro en solo unos pocos átomos, es decir. Aproximadamente 5-10 nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
El otro día, la compañía Boston Nantero hizo una declaración sobre el desarrollo de las tarjetas de memoria de una muestra fundamentalmente nueva creada sobre la base de la nanotecnología. Nantero Inc. En particular, participar activamente en el desarrollo de nuevas tecnologías, en particular, presta atención considerable a la búsqueda de métodos para crear RAM no volátil (RAM) basado en nanotubos de carbono. En su discurso, el representante de la compañía anunció que estaban a paso de la creación de una memoria de 10 GB. Debido al hecho de que la base de la estructura del dispositivo es nanotubos, se propone la nueva memoria para llamar a NRAM (RAM no volátil (no volátil)).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm.
Uno de los resultados del estudio fue el uso práctico de las propiedades sobresalientes de los nanotubos para medir la masa de partículas de tamaños extremadamente pequeños. Al colocar la partícula pesada al final de los nanotubos, la frecuencia resonante disminuye. Si se calibró el nanotube (es decir, su elasticidad es conocida), es posible determinar la masa de las partículas al compensar la frecuencia de resonantes.

http://www.mediancenter.ru/a74.phtml.
Entre las primeras aplicaciones comerciales será la adición de nanotubos en pintura o plástico para dar estos materiales de las propiedades de conductividad eléctrica. Esto reemplazará las piezas metálicas con polimérico en algunos productos.
Nanotubos de carbono - material caro. Ahora CNI lo vende a un precio de $ 500 por gramo. Además, la tecnología de purificación de nanotubos de carbono es la separación de buenos tubos de BAD, y el método de introducción de nanotubos a otros productos requiere una mejora. Para resolver algunas tareas, se puede requerir la apertura del nivel Nobel, Joshua Wolf aprueba, administrando socio de la firma de riesgo Lux Capital, especializada en nanotecnología.

Los investigadores se interesaron en los nanotubos de carbono debido a su conductividad eléctrica, que resultó ser mayor que todos los conductores conocidos. También tienen una excelente conductividad térmica, son estables químicamente, difieren en la resistencia mecánica de emergencia (acero 1000 veces) y, lo que es más increíble, adquiere propiedades semiconductoras al torcer o flexionarse. Para el trabajo dan la forma del anillo. Las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono pueden ser tanto en metales como en semiconductores (dependiendo de la orientación de los polígonos de carbono en relación con el eje del tubo), es decir, Depende de su tamaño y forma.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm.
Los conductores de nanotubos de metal pueden soportar la densidad de corriente 102-103 veces más alta que los metales convencionales, y los nanotubos semiconductores pueden encenderse y desactivarse eléctricamente por medio de un campo generado por el electrodo, lo que le permite crear transistores de campo.
Los científicos de IBM desarrollaron un método de la llamada "destrucción constructiva", que les permitió destruir todos los nanotubos metálicos y, al mismo tiempo, dejarlo intacto semiconductor.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm.
Los nanotubos de carbono encontraron otro uso en la lucha por la salud humana, esta vez los científicos chinos usaron nanotubos para limpiar agua potable del plomo.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html.
Regularmente escribimos sobre nanotubos de carbono, pero de hecho, hay otros tipos de nanotubos obtenidos de varios materiales semiconductores. Los científicos saben cómo cultivar nanotubos con un grosor, diámetro y longitud de la pared dados con precisión.
Los nanotubos se pueden usar como oleoductos de nanotrub para transportar líquidos, también pueden desempeñar el papel de los consejos para las jeringas con Nanocapkel con precisión verificado. Los nanotubos se pueden aplicar como fábrica, Nanopintsa, la isla para escanear microscopios de túnel. Los nanotubos con paredes suficientemente gruesas y un pequeño diámetro pueden servir como soportes de soporte para nanoObjects, y los nanotubos con un diámetro grande y las paredes delgadas son el papel de los nanocontraineros y las nanocápsulas. Los nanotubos de los compuestos a base de silicio, incluido el carburo de silicio, son especialmente buenos para la fabricación de productos mecánicos, ya que estos materiales son duraderos y elásticos. También se pueden usar nanotubos de estado sólido en electrónica.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
La división de investigación de IBM informó un importante logro en la nanotecnología. Los especialistas en investigación de IBM lograron forzar a forzar a los nanotubos de carbono, un material extremadamente prometedor que subyace a muchos desarrollos nanotecnológicos en todo el mundo.
El nanotube emisor de luz tiene un diámetro de solo 1.4 nm, es decir, 50 mil veces más delgado del cabello humano. Esta es la más miniatura en la historia de un dispositivo de emisión de luz de estado sólido. Su creación fue el resultado de un programa para estudiar las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono, realizados en IBM en los últimos años.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm.
Además de lo mencionado anteriormente, está muy lejos de la implementación de la creación de nanocables de metal, el desarrollo de los llamados emisores en frío en los nanotubos es popular. Los emisores fríos son un elemento clave de un televisor plano del futuro, reemplazan a los emisores calientes de los modernos tubos de rayos electrónicos, además, le permiten deshacerse de los voltajes gigantescos e inseguros aceptados de 20-30 metros cuadrados. A temperatura ambiente, los nanotubos pueden emitir electrones, produciendo una corriente de la misma densidad que el ánodo de tungsteno estándar en casi mil grados, e incluso se necesitan 500 V de voltaje (y docenas de kilovoltios y 1500 grados (NAN)

http://www.peplet.ru/Obrazovanie/stsoros/742.html
Los valores altos del módulo de la elasticidad de los nanotubos de carbono hacen posible crear materiales compuestos que proporcionen una alta resistencia en las deformaciones elásticas de UltraHigh. De tal material, será posible realizar telas ultraligeras y de servicio pesado para la ropa de bomberos y astronautas.
Para muchas aplicaciones tecnológicas, es atractivo un área de superficie específica de material nanotubos. En el proceso de crecimiento se forman nanotubos en espiral orientados al azar, lo que conduce a la formación de una cantidad significativa de cavidades y vacíos del tamaño del nanómetro. Como resultado, el área de superficie específica del material de nanotubos alcanza los valores de aproximadamente 600 m2 / g. Tal área de superficie específica alta abre la posibilidad de su uso en filtros y otras tecnologías químicas.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/NO09_1.htm
La nanocabel desde el suelo hasta la luna de un solo tubo se puede subirse a una bobina con granos de amapola.
En su fuerza, los nanotubos son superiores al acero 50-100 veces (aunque los nanotubos tienen seis veces menor densidad). El módulo joven es la característica de la resistencia del material con estiramiento axial y compresión: los nanotubos están en promedio dos veces más altos como las fibras de carbono. Los tubos no solo son duraderos, sino también flexibles, recuerdan a su comportamiento, no frágiles pajitas, sino tubos de goma resistentes.
Un hilo con un diámetro de 1 mm, que consiste en nanotubos, podría soportar la carga de 20 toneladas, que es de varios cientos de miles de millones de veces sus propias masas.
Un grupo internacional de científicos ha demostrado que los nanotubos se pueden usar para crear músculos artificiales, que, con la misma cantidad, pueden ser tres veces más biológicos, no tienen miedo de las altas temperaturas, al vacío y muchos reactivos químicos.
Los nanotubos son el material perfecto para el almacenamiento seguro de gases en las cavidades internas. En primer lugar, esto se aplica a hidrógeno, que se habría utilizado durante mucho tiempo como combustible para los automóviles, si el volumen voluminoso, grueso, pesado e inseguro con los cilindros de almacenamiento de hidrógeno de jigsaw no privó al hidrógeno de su principal ventaja, una gran cantidad de energía y separado por una unidad de masa (por 500 km de carreras de automóviles, solo se requiere aproximadamente 3 kg H2). Rellene el "Benzobak" con nanotubos podría ser estacionario bajo presión, y para extraer combustible, un pequeño calentamiento de "tanque de gas". Para exceder los cilindros de gas habituales en la masa y la densidad volumétrica de la energía de almacenamiento y (peso de hidrógeno, se refieren a su masa junto con la cubierta o a su volumen junto con la cáscara), necesitamos nanotubos con cavidades con respecto al gran diámetro. Más de 2-3 nm.
Los biólogos lograron introducir pequeñas proteínas y moléculas de ADN en la cavidad de los nanotubos. Este es el método para obtener nuevos catalizadores de tipo, y en el futuro, el método de entregar moléculas y medicamentos biológicamente activos a una u otra autoridades.

Introducción

Hace unos 15-20 años, muchos ni siquiera pensaron en el posible reemplazo de silicio. Pocos podrían asumir que ya a principios del siglo XXI, una verdadera "raza nanométrica" \u200b\u200bcomenzará entre compañías semiconductores. ¿Un acercamiento gradual con Nanomir te hace pensar, y qué pasará junto? ¿Continuará la famosa ley de Mura? Después de todo, con la transición a las normas de producción más sutiles, aparecen más y más tareas complejas antes de los desarrolladores. Muchos expertos generalmente se inclinan a creer que en una docena u otros años, Silicon se acercará a un borde físicamente insuperable, cuando sea imposible crear estructuras de silicio más sutiles.

A juzgar por las últimas investigaciones, una de las candidatas más probables (pero lejos del único) para la posición de "sustitutos de sílice" son materiales a base de carbono: nanotubos de carbono y grafeno, lo que, presumiblemente, puede convertirse en la base del futuro. nanoelectrónica. Queríamos hablar de ellos sobre ellos en este artículo. Más bien, será más sobre los nanotubos, porque se obtuvieron anteriormente y se estudiaron mejor. Los desarrollos asociados con el grafeno son todavía mucho menos, pero no disminuye su dignidad. Parte de los investigadores creen que el grafeno es un material más prometedor que los nanotubos de carbono, por lo que también me diremos algunas palabras al respecto. Además, algunos logros de los investigadores que han ocurrido recientemente dieron un poco de optimismo.

De hecho, cubrir todos los logros en estas áreas de desarrollo activo dentro de un artículo es muy difícil, por lo que solo habitaremos en eventos clave de los últimos meses. El propósito del artículo es introducir brevemente a los lectores los logros recientes más interesantes e interesantes en el campo de la nanoelectrónica "carbono" y las áreas prometedoras de su uso. Para aquellos que están interesados, encuentre que muchas más información más detallada sobre este tema no deben ser difíciles (especialmente, con el conocimiento del inglés).

Nanotubos de carbon

Después de otro (grafito, diamante y carabina), todavía hay uno (fullerenos, diamante y carbina), durante varios años (Fullerenes), para varios años posteriores, informes sobre la apertura y el estudio de varias estructuras basadas en carbono con propiedades interesantes, tales como nanotubos, nanocoltales, materiales ultrafinos, etc.

En primer lugar, estamos interesados \u200b\u200ben nanotubos de carbono: estructuras cilíndricas huecas con un diámetro de orden de las unidades hasta decenas de nanómetros (la longitud de los nanotubos tradicionales se calcula por micras, aunque los laboratorios ya reciben la longitud de la longitud de los milímetros. e incluso centímetros). Estas nanoestructuras se pueden representar de la siguiente manera: solo tome la tira de plano de grafito y gírela en el cilindro. Por supuesto, esto es solo un rendimiento figurativo. De hecho, obtener directamente un plano de grafito y la torcie "en el tubo" no es posible. Los métodos para obtener nanotubos de carbono son un problema técnico bastante complejo y volumétrico, y su consideración está más allá del alcance de este artículo.

Los nanotubos de carbono se caracterizan por una gran variedad de formas. Por ejemplo, pueden ser únicos en capas o de múltiples capas (de una sola capa o multicapa), rectas o espirales, largas y cortas, etc., lo que es importante, los nanotubos resultan ser inusualmente duraderos para estirar y doblar. Bajo la acción de grandes tensiones mecánicas, los nanotubos no se rompen, no están rotos, sino simplemente reconstruyendo su estructura. Por cierto, ya que se trataba de la fuerza de los nanotubos, es interesante observar uno de los estudios recientes de la naturaleza de esta propiedad.

Investigadores de la Universidad de Rice (Rice University) bajo el liderazgo de Boris Jacobson descubrieron que los nanotubos de carbono se comportan como "estructuras de autocuración inteligente" (el estudio se publicó el 16 de febrero de 2007 en las cartas de revisión física de la revista). Por lo tanto, con la exposición mecánica y las deformaciones críticas causadas por cambios de temperatura o radiación radiactiva, los nanotubos pueden "repararse". Resulta que, además de las células de 6 carbonos en los nanotubos, también hay grupos de cinco y semi-latídicos. Estas células 5/7 atómicas exhiben un comportamiento inusual, moviéndose cíclicamente a lo largo de la superficie del nanotubo de carbono, como los botes de vapor por mar. Si se produce daño en el lugar de defecto, estas células participan en la "curación de la herida", redistribuyendo la energía.

Además, los nanotubos demuestran muchas propiedades ópticas eléctricas, magnéticas e inesperadas que ya se han convertido en objetos de varios estudios. Una característica de los nanotubos de carbono es su conductividad eléctrica, que resultó ser mayor que todos los conductores conocidos. También tienen una excelente conductividad térmica, químicamente estable y, más interesantes, pueden adquirir propiedades semiconductores. De acuerdo con las propiedades electrónicas, los nanotubos de carbono pueden comportarse como metales, o como semiconductores, que se determina por la orientación de los polígonos de carbono en relación con el eje del tubo.

Los nanotubos se inclinan a adherirse entre sí, formando conjuntos que consisten en nanotubos de metal y semiconductores. Hasta ahora, una tarea difícil es la síntesis de una matriz de solo nanotubos o separación semiconductores (separación) de semiconductor de metal. Con las nuevas formas de resolver este problema, conoceremos más adelante.

Gráfico

El grafeno, en comparación con los nanotubos de carbono, se obtuvo mucho más tarde. Es posible que esto se explique por el hecho de que escuchamos sobre el grafeno en las noticias hasta ahora con mucho menos frecuencia que los nanotubos de carbono, ya que es más débil estudiado. Pero esto no restaba de sus méritos. Por cierto, hace un par de semanas, Grafen estaba en el centro de atención en círculos científicos, gracias al nuevo desarrollo de investigadores. Pero esto es un poco más tarde, y ahora una pequeña historia.

En octubre de 2004, el Recurso de Información de Noticias de la BBC informó que el Profesor Andre Game (Andre Geim) con sus colegas de la Universidad de Manchester (Reino Unido), junto con el grupo de Doctor Novoselov (Chernogolovka, Rusia), logró obtener un grosor de materiales. de un átomo de carbono. Llamado grafeno, es una molécula de carbono plana bidimensional con un espesor de un átomo. Por primera vez en el mundo, fue posible separar la capa atómica del cristal de grafito.

Al mismo tiempo, el juego y su equipo se propusieron el llamado transistor balístico basado en grafeno. GRAFEN le permitirá crear transistores y otros dispositivos semiconductores con dimensiones muy pequeñas (sobre varios nanómetros). Reducir la longitud del canal de transistor conduce a un cambio en sus propiedades. El nanomyr refuerza el papel de los efectos cuánticos. Los electrones se mueven a través del canal como una onda de asado, y esto reduce el número de colisiones y, en consecuencia, aumenta la eficiencia energética del transistor.

GRAFEN se puede representar como un nanotubo de carbono "desplegado". La mayor movilidad de los electrones lo traduce en la categoría de los materiales más prometedores para la nanoelectrónica. Dado que desde el recibo de Grafeno no ha pasado y tres años, aún no se han estudiado sus propiedades, no muy bien. Pero los primeros resultados interesantes de los experimentos ya tienen.

Logros más recientes de "carbono"

Dado que primero nos familiarizamos con los nanotubos de carbono (cronológicamente, se obtuvieron primero), entonces, en esta parte del artículo también comenzará con ellos. Probablemente, es posible que tenga la pregunta del siguiente contenido: si los nanotubos de carbono son tan buenos y prometedores, ¿por qué todavía no se implementan en la producción en masa?

Uno de los principales problemas ya se ha mencionado al comienzo del artículo. El método de sintetizar una matriz que consiste solo en nanotubos con ciertas propiedades, forma y dimensiones que podrían implementarse en la producción en masa aún no se ha creado. Se presta mayor atención a la clasificación de una matriz "mixta" que consiste en nanotubos con semiconductores y propiedades metálicas (no menos importante es la clasificación en longitud y diámetro). Es apropiado recordar uno de los primeros desarrollos en esta área, que pertenece a IBM, después de lo cual procedemos a los últimos logros.

En el trabajo, con fecha de abril de 2001, "Ingeniería de nanotubes de carbono y circuitos de nanotubos que utilizan la avería eléctrica", se informa que los investigadores de la compañía de IBM construyeron por primera vez un transistor basado en nanotubos de carbono que tienen un diámetro de 1 nanómetro y la longitud del orden de Las unidades de micron. La atención se centró en el hecho de que lograron encontrar una manera de hacer tal producción en perspectiva.

Los científicos de IBM desarrollaron un método que les permitió destruir todos los nanotubos de metal y al mismo tiempo dejar un semiconductor intacto. En la primera etapa, la matriz de nanotubos se coloca en un sustrato de dióxido de silicio. A continuación, los electrodos se forman en la parte superior de los nanotubos. El sustrato de silicona desempeña el papel del electrodo inferior y contribuye a bloquear los nanotubos semiconductores. Se suministra el siguiente voltaje. Como resultado, los nanotubos "desprotegidos" con las propiedades metálicos se destruyen, y el semiconductor permanece entero e ileso.

Pero es solo en palabras, y en realidad el proceso se ve mucho más difícil. Se ha informado sobre los planes para llevar el desarrollo de la mente después de 3 a 4 años (es decir, en 2004/2005), pero, como vemos, aún no se han recibido informes sobre la implementación de esta tecnología.

Ahora pasamos a nuestro tiempo, a saber, el final del otoño el año pasado. Luego, el sitio de la revisión de la tecnología informó un nuevo método para clasificar a los nanotubos de carbono, que desarrollaron investigadores de la Universidad North West (Northwestern University). Además de la separación basada en propiedades conductoras, este método también le permite ordenar los nanotubos por su diámetro.

Es curioso que originalmente se configuró en la clasificación solo de diámetro, y la capacidad de ordenar y para la conductividad eléctrica resultó ser una sorpresa para los propios investigadores. El profesor de la química de la Universidad de Montreal (Montreal, Canadá) Richard Martel (Richard Martel) señaló que un nuevo método de clasificación se puede llamar un gran avance en esta área.

El nuevo método de clasificación se basó en ultracentrifugación (ultracentrifugación), que proporciona la rotación del material con enormes velocidades de hasta 64 mil revoluciones por minuto. Antes de esto, se aplica un surfactante a una matriz de nanotubos, que, después de la ultracentrifugación, se distribuye de manera desigual de acuerdo con el diámetro y la conductividad eléctrica de los nanotubos. Uno de los que se han familiarizado estrechamente con el nuevo método, el profesor de la Universidad de Florida, Andrew Rinzler, informó que el método de clasificación propuesto obtendrá una matriz con una concentración de tubos semiconductores del 99% y superior.

La nueva tecnología ya ha estado involucrada en fines experimentales. Con la ayuda de nanotubos semiconductores clasificados, los transistores se crearon con una estructura relativamente simple que se puede usar para controlar los píxeles en monitores y paneles de televisión.

Por cierto, a diferencia del método IBM, cuando los nanotubos de metal se destruyeron simplemente, los investigadores de la Universidad del Noroeste con ultracentrifugación también pueden recibir nanotubos metálicos, que también se pueden usar en dispositivos electrónicos. Por ejemplo, se pueden usar como electrodos transparentes en algunos tipos de pantallas y células solares orgánicas.

No profundizaremos en otros problemas que impidan la introducción de nanotubos, como las dificultades tecnológicas de la integración en dispositivos electrónicos en serie, así como una pérdida de energía significativa en los lugares de compuesto de metal con nanotubos, debido a una alta resistencia al contacto. Lo más probable es que la divulgación de estos temas serios parecerá un poco interesante y demasiado complicado para el lector ordinario, además, puede tomar varias páginas.

En cuanto a Grafeno, la consideración de los logros en esta área, quizás, comencemos con la primavera del año pasado. En abril de 2006, el Journal of Science Express hubo una publicación de un estudio fundamental de las propiedades de Grafeno realizado por un grupo de científicos del Instituto de Tecnología de Georgia (GIT), EE. UU. Y al Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (Centro Nacional de la Recepción. ).

La primera característica importante del trabajo: los circuitos electrónicos basados \u200b\u200ben grafeno pueden fabricarse con equipos tradicionales, que se utiliza en la industria semiconductora. El profesor del Instituto Git Walt de Hir (Walt de Heer) lanzó el éxito del estudio: "Hemos demostrado que podemos crear material de grafeno," Cortar "estructuras de grafeno, así como el hecho de que el grafeno tiene excelentes propiedades eléctricas. Este material se caracteriza por alta movilidad electrónica ".

Muchos científicos e investigadores dicen que pusieron la base (base) de la electrónica de grafeno. Se observa que los nanotubos de carbono son solo el primer paso hacia el mundo de la nanoelectrónica. En la futura electrónica, Walt de Hir y sus colegas ven precisamente grafeno. Cabe destacar que la investigación es apoyada por Intel, y ella no arroja dinero al viento.

Ahora describe brevemente el método de obtener grafeno y chips de grafeno propuestos por Walt de Homes y sus colegas. Calentando un sustrato de carburo de silicio en alto vacío, los científicos obligan a los átomos de silicio para abandonar el sustrato, como resultado de lo que solo permanece una capa delgada de átomos de carbono (grafeno). En la siguiente etapa, aplican un material fotoresistivo (fotoprotector) y aplican la litografía tradicional de rayos electrón para grabar los "patrones" requeridos, es decir, ahora las tecnologías industriales utilizadas se utilizan ahora. Esta es una ventaja significativa del grafeno frente a los nanotubos.

Como resultado, los científicos lograron grabar la nanoestructura de 80 nm. De esta manera, se creó un transistor de campo de grafeno. Una desventaja grave puede llamarse grandes corrientes de fugas del dispositivo creado, aunque los científicos no habitaron en absoluto. Creían que en la etapa inicial, este es un fenómeno completamente normal. Además, se creó un dispositivo de interferencia cuántica bien viable, que se puede usar para controlar las ondas electrónicas.

Desde la primavera del año pasado, no hubo logros de alto perfil como el desarrollo de abril. Como mínimo, no aparecieron en las páginas de los sitios de Internet. Pero febrero de este año señaló a la vez varios eventos y, nuevamente, pensó en pensar en las "perspectivas de grafeno".

A principios del mes pasado, AMO presentó su desarrollo (Amo Nanoelectronics Group) como parte del proyecto Alegra. Los ingenieros AMO lograron crear un transistor de grafeno con la puerta superior (transistor de alta cerradura), lo que hace que su estructura sea similar con los transistores de campo de silicona modernos (MOSFET). Lo que es interesante, se creó el transistor de grafeno con la ayuda de la tecnología CMOS de producción tradicional.

A diferencia de los transistores de mopa de campo (MOP - metal-óxido-semiconductor), los transistores de grafeno creados por los ingenieros de Amo se caracterizan por una mayor movilidad de electrones y velocidad de cambio. Desafortunadamente, en este momento, los detalles del desarrollo no son revelados. Los primeros detalles se publicarán en abril de este año en la revista IEEE Electron Device Letters.

Ahora recurrimos a otro desarrollo "fresco": un transistor de grafeno que opera como un dispositivo semiconductor de un solo electrón. Curiosamente, los creadores de este dispositivo ya son conocidos por el juego del profesor, el científico ruso Konstantin Novoselov y otros.

Este transistor tiene áreas en las que se cuantifica la carga eléctrica. Al mismo tiempo, se observa el efecto del bloqueo de coulomb (hay un voltaje que evita el movimiento de las siguientes partículas cuando las transiciones de electrones, repele a los elementos de los compañeros. Este fenómeno se llamaba el bloqueo de coulomb. Debido al bloqueo, El siguiente electrón se pasará solo cuando el anterior se eliminará de la transición. Por lo tanto, las partículas podrán "saltar" solo después de ciertos intervalos). Como resultado, solo un electrón puede pasar por el canal de transistor que tiene un ancho de solo una variedad de nanómetros. Es decir, parece que la capacidad de administrar dispositivos semiconductores con solo un electrón.

La capacidad de controlar los electrones tomados por separado abre nuevas características ante los creadores de circuitos electrónicos. Como resultado, el voltaje del obturador se puede reducir significativamente. Los dispositivos basados \u200b\u200ben los transistores de grafeno de un solo electrón difieren una sensibilidad alta y excelentes indicadores de alta velocidad. Por supuesto, se reducirán las dimensiones. Lo que es importante, se supera un problema grave, característica de un prototipo del transistor de grafeno de la batalla de Hira, es grandes corrientes de fuga.

Me gustaría señalar que los dispositivos de un solo electrónicos ya se han creado utilizando el silicio tradicional. Pero el problema es que la mayoría de ellos solo pueden trabajar a temperaturas muy bajas (aunque ya hay muestras que trabajan y a temperatura ambiente, pero son mucho más grandes que los transistores de grafeno). La creación del juego y sus colegas pueden trabajar con seguridad a temperatura ambiente.

Perspectivas para el uso de nanomateriales de carbono.

Lo más probable es que esta parte del artículo será los lectores más interesantes. Después de todo, la teoría es una, pero la encarnación de los logros de la ciencia en personas reales de dispositivos útiles, incluso si los prototipos deben estar interesados \u200b\u200ben el consumidor. En términos generales, la posible esfera de aplicar nanotubos de carbono y grafeno es bastante diverso, pero estamos interesados \u200b\u200bprincipalmente en el mundo de la electrónica. Inmediatamente, me gustaría señalar que el grafeno es más material de carbono "joven" y sigue siendo solo al comienzo de la ruta de la investigación, por lo que en esta parte del artículo la atención se centrará en dispositivos y tecnologías basadas en nanotubos de carbono.

Pantallas

El uso de nanotubos de carbono en las pantallas está estrechamente relacionado con la tecnología de la Fed, que fue desarrollada por la empresa francesa Leti y presentada por primera vez en el distante 1991. A diferencia del ELT, que utiliza hasta tres cátodos "calientes", la matriz de una pluralidad de catodos "fríos" se utilizó originalmente en pantallas alimentadas. Como resultó, un porcentaje demasiado alto del matrimonio hizo que las pantallas alimentadas sean compensatorias. Además, en 1997-1998, hubo una tendencia a una reducción significativa de los paneles de cristal líquido, que, como parecía, no dejaba ninguna posibilidad de que la tecnología de la Fed.

La creación de Leti recibió un "segundo aliento" a fines del siglo pasado, cuando aparecieron los primeros estudios de las pantallas alimentadas, en las que aparecieron las matrices de nanotubos de carbono como cátodos. Una serie de fabricantes principales han mostrado interés en las pantallas basadas en nanotubos de carbono, entre los que se conocen bien conocidos por cada Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer y otros. En la ilustración, ves una de las realizaciones de pantallas alimentadas en Nanotubes de carbono SDNT (nanotubos de carbono de diámetro pequeño, nanotubos de carbono de diámetro pequeño).

Se observa que las pantallas alimentadas en nanotubos de carbono pueden competir con paneles modernos con una gran diagonal y en el futuro hagan una competencia seria principalmente por los paneles de plasma (ahora son dominantes en el sector con diagonales super-altos). Lo más importante es que los nanotubos de carbono reducirán significativamente la producción de pantallas alimentadas.

Desde las últimas noticias del mundo de Nanotube Fed-Muestra, vale la pena recordar el reciente mensaje de Motorola que su desarrollo está casi listo para abandonar las paredes de los laboratorios de investigación y ir a la etapa de la producción en masa. Curiosamente, Motorola no planea construir sus propias plantas para la producción de pantallas de Nanotube y en este momento lidera las negociaciones con licencia con varios fabricantes. El jefe de investigación y divisiones experimentadas de Motorola James Jaskie notó que dos compañías asiáticas ya están construyendo plantas para la producción de pantallas basadas en nanotubos de carbono. Por lo tanto, las exhibiciones de Nanotube no son un futuro tan lejano, y son horarios para percibir seriamente.

Una de las tareas difíciles, que aparecieron frente a los ingenieros de Motorola, fue crear un método de baja temperatura para producir nanotubos de carbono en el sustrato (para no derretir el sustrato de vidrio). Y esta barrera tecnológica ya está superada. También se informa sobre la finalización exitosa del desarrollo de los métodos de clasificación de Nanotubes, que para muchas empresas que operan en esta industria, se han convertido en un "obstáculo irresistible".

El director de DiplaySearch Steve Yurichich (Steve Jurichich) cree que el regociamiento prematuramente de Motorola es demasiado pronto. Después de todo, todavía hay conquista del mercado, donde los fabricantes de cristal líquido y paneles de plasma ya han ocupado el lugar "bajo el sol". No se olvide de otras tecnologías prometedoras, como OLED (pantallas en LED orgánicos), QD-LED (LED de puntos cuánticos, un tipo de pantallas en LED utilizando los llamados puntos cuánticos, desarrollados por la Compañía Americana QD Vision). Además, en el futuro, la competencia rígida de Motorola puede ser realizada por Samsung Electronics y un proyecto conjunto para la introducción de exhibiciones de Canon y Toshiba (por cierto, planean iniciar las entregas de las primeras pantallas de Nanotube a finales de este año) .

Los nanotubos de carbono encontrados se aplican no solo en pantallas alimentadas. Los recreadores del Registro de Laboratorio de Les Materiaux de Pointe (Provincia de Quebec) ofrecieron ser utilizados como electrodos para pantallas OLED basadas en nanotubos de un solo carbono. Según el sitio web del Nano Technology World, la nueva tecnología permitirá crear papel electrónico muy delgado. Debido a la alta durabilidad de los nanotubos y un grosor extremadamente bajo de la matriz de electrodos, las pantallas OLED pueden ser muy flexibles, así como tener un alto grado de transparencia.

Memoria

Antes de comenzar una historia sobre los desarrollos de "carbono" más interesantes en la memoria de la memoria, me gustaría notar que las tecnologías de almacenamiento de tecnología de investigación son generalmente una de las instrucciones más activamente desarrolladas en la actualidad. La demostración electrónica de consumo recientemente realizada (Las Vegas) y Hannover CeBit mostró que el interés en varias unidades, los sistemas de almacenamiento no fallan con el tiempo, sino que solo aumenta. Y no es sorprendente. Solo piense: según la organización analítica IDC, en 2006, se generaron aproximadamente 161 mil millones de gigabytes de información (examen 161), lo que es diez veces más alto que las cifras de los últimos años.

Durante el pasado de 2006, se mantuvo solo por sorprenderse en las ideas inventivas de los científicos. Lo que simplemente no vimos: y la memoria en nanopartículas doradas, y la memoria basada en los superconductores, e incluso la memoria ... ¡En virus y bacterias! Recientemente, cada vez más en las menciones de noticias se mencionan mediante tecnologías de memoria no volátiles, como MRAM, FRAM, PRAC y otros, que ya no son solo exhibiciones de "papel" o prototipos de demostración, sino dispositivos bien trabajables. Por lo tanto, la tecnología de memoria basada en nanotubos de carbono es solo una pequeña partícula de investigación sobre el almacenamiento de información.

Tal vez, comencemos nuestra historia sobre la memoria "Nanotube" con los desarrollos de Nantero, que ya se ha convertido en bastante famoso en su campo. Todo comenzó desde el distante 2001, cuando las grandes inversiones estaban involucradas en la empresa joven, que permitió el desarrollo activo de un nuevo tipo de memoria NRAM no volátil basada en nanotubos de carbono. El año pasado, vimos varios serios desarrollos de Nantero. En abril de 2006, la compañía informó sobre la creación de un interruptor de memoria del tipo NRAM, producido por estándares de 22 nm. Además de los desarrollos de la marca Nantero, las tecnologías de producción existentes se sintieron atraídas por la creación de un nuevo dispositivo. En mayo del mismo año, su tecnología para crear dispositivos basados \u200b\u200ben nanotubos de carbono fue exitoso. Integrado. En la producción de CMOS en el equipo de la empresa LSI Logic Corporation (en la fábrica de semiconductores).

A fines de 2006, se produjo un evento significativo. Nantero anunció la superación de todas las principales barreras tecnológicas a la producción en masa de chips en función de los nanotubos de carbono utilizando equipos tradicionales. Un método para aplicar nanotubos en un sustrato de silicio utilizando un método tan conocido como el recubrimiento de giro, después de lo cual se utilizan litografías y grabados tradicionales para la producción de semiconductores. Una de las ventajas de la memoria NRAM es alta velocidad de lectura / escritura.

Sin embargo, no profundizaremos en las sutilezas tecnológicas. Solo notaré que este tipo de logro le da a todos los fundamentos de Nantero para contar con éxito. Si los ingenieros de la compañía logran llevar el desarrollo al final lógico y la producción de chips NRAM no será muy costosa (y la posibilidad de usar el equipo existente le da derecho a la esperanza), entonces seremos presenciales del surgimiento de la nueva formidable. armas en el mercado de la memoria, que puede presionar seriamente los tipos de memoria existentes, incluyendo SRAM, DRAM, NAND, NOR, etc.

Como en muchas otras áreas de ciencia y tecnología, no solo compañías comerciales, como Nantero, y los laboratorios de las principales instituciones educativas en el mundo están involucradas en la memoria de la memoria en los nanotubos de carbono. Entre las interesantes obras dedicadas a la memoria "carbono", me gustaría observar el desarrollo de los empleados de la Universidad Politécnica de Hong Kong (Hong-Kong Polytechnic University), publicada en abril del año pasado en las páginas de publicación en línea de letras físicas aplicadas.

En contraste con muchos desarrollos similares que operan solo a temperaturas muy bajas, un dispositivo creado por los físicos de Jiyan (Jiyan Dai) y Lu (X. B. LU) también pueden trabajar a temperatura ambiente. La memoria no volátil creada por los investigadores de Hong Kong no es tan rápida como NRAM Nantero, por lo que la perspectiva es mover el trono de DRAM a ella, lo más probable es que no tenga éxito. Pero como un posible reemplazo de la memoria flash tradicional, es posible considerarlo.

Para entender el principio de funcionamiento de esta memoria en general, es suficiente para mirar la ilustración a continuación (B). Los nanotubos de carbono (CNT, nanotubos de carbono) desempeñan el papel de la carga de almacenamiento (memorización). Ellos, como se sujetan entre dos capas de HFALO (que consiste en Hafnia, aluminio y oxígeno), que desempeñan el papel del obturador de control y la capa de óxido. Toda la estructura se coloca en un sustrato de silicio.

La decisión original, se ofreció a los científicos coreanos Jeong Won Kang y King Yan (Qing Jiang). Se las arreglaron para desarrollar la memoria sobre la base de los llamados nanotubos telescópicos. El principio basado en el nuevo desarrollo se inauguró en 2002 y se describió en el trabajo de nanotubos de carbono multiamblado como Osciladores de Gighertz. Sus autores lograron establecer que un nanotubo con un diámetro más pequeño en él está formado por un oscilador, alcanzando la frecuencia de las oscilaciones de Gigahertz.

Los nanotubos de alta velocidad deslizante incrustados en otros nanotubos causan la velocidad de un nuevo tipo de memoria. Jon von Kan y Kin Yan argumentan que su desarrollo se puede aplicar no solo como memoria flash, sino también en el papel de la RAM de alta velocidad. El principio de la operación de la memoria es fácil de entender en función de la imagen.

Como puede ver, el par anidado en otros nanotubos se coloca entre dos electrodos. Cuando se aplica la carga a uno de los electrodos, el nanotubo interno se mueve a una dirección u otra bajo la acción de las fuerzas de Wan der Waals. Una desventaja significativa es inherente a este desarrollo: una muestra de dicha memoria solo puede trabajar a temperaturas muy bajas. Sin embargo, los científicos confían en que estos problemas son temporales y se pueden superar en las siguientes etapas de la investigación.

Es bastante natural, muchos desarrollos seguirán siendo la tarde. Después de todo, una cosa es un prototipo, trabajando en condiciones de laboratorio, y en el camino a la comercialización de la tecnología siempre se encuentra muchas dificultades, y no solo puramente técnicas, sino también. En cualquier caso, las obras existentes inspiran ciertos optimismo y bastante informativo.

Procesadores

Ahora vamos a escribir sobre lo que el futuro del carbono puede esperar a los procesadores. Los gigantes de la industria del procesador están buscando activamente nuevas formas de extender la ley de Gordon Moore, y cada año es cada vez más difícil. Reducir el tamaño de los elementos semiconductores y una gran densidad de su colocación en un cristal cada vez que pone una tarea muy compleja de reducir las corrientes de fuga. Las principales direcciones de la resolución de tales problemas son buscar nuevos materiales para su uso en dispositivos de semiconductores y cambiar su estructura en sí.

Como probablemente sepa, IBM e Intel recientemente informaron a la aplicación de nuevos materiales para crear transistores que se utilizarán en los procesadores de próxima generación. Como tapa, en lugar de dióxido de silicona, se propusieron materiales con un alto significado de constante dieléctrico (alta-K) basados \u200b\u200ben Hafnia. Al crear el electrodo del obturador, Silicon se suplantará con aleaciones de metal.

Como puede ver, hoy hay una sustitución gradual de silicio y materiales basados \u200b\u200ben compuestos más prometedores. Muchas compañías han estado pensando durante mucho tiempo sobre el reemplazo de Silicon. Uno de los patrocinadores más grandes de proyectos de investigación en el campo de los nanotubos de carbono y el grafeno son IBM e Intel.

A fines de marzo del año pasado, los investigadores de IBM y dos universidades de Florida y Nueva York informaron la creación del primer circuito integrado electrónico completado sobre la base de un solo nanotubo de carbono. Este esquema tiene un espesor de cinco veces el diámetro más pequeño del cabello humano y solo se puede observar a través de un poderoso microscopio electrónico.

Los investigadores de IBM lograron alcanzar velocidades, casi un millón de veces más grandes de lo que se obtuvo previamente en los diagramas con múltiples nanotubos. Aunque estas velocidades aún están por debajo de las que trabajan los chips de silicio modernos, los científicos de IBM confían en que los nuevos procesos de nanotecnología permitirán, en última instancia, revelarán las capacidades potenciales colosales de la electrónica de los nanotubos de carbono.

Como señaló el profesor George Appenzelller, el generador de anillos de anillo basado en Nanotube, creado por investigadores, es excelente para estudiar las características de los elementos electrónicos de carbono. El generador OLSEY es un diagrama en el que los fabricantes de microcircuitos suelen verificar las capacidades de nuevos procesos o materiales de producción. Este esquema ayuda a predecir cómo se comportarán nuevas tecnologías en productos terminados.

Comparativamente ha estado estudiando durante mucho tiempo en el posible uso de nanotubos de carbono en procesadores e Intel. Recuerde que Intel no es indiferente a los nanotubos, forzó al reciente evento de simposio para la Sociedad Americana de Vacuum, que fue discutida activamente por los últimos logros de la compañía en esta área.

Por cierto, ya se ha desarrollado un prototipo de chip, donde los nanotubos de carbono se utilizan como interconexiones. Como se conoce. La transición a normas más precisas conlleva un aumento en las resistencias eléctricas de los conductores de conexión a fines de la década de 1990, los productores de microcircuitos cambian al uso de conductores de cobre en lugar de aluminio. Pero en los últimos años, incluso el cobre deja de satisfacer a los fabricantes de procesadores, y gradualmente preparan su reemplazo.

Una de las direcciones prometedoras se ve mediante el uso de nanotubos de carbono. Por cierto, como mencionamos al comienzo del artículo, los nanotubos de carbono no solo son mejores en comparación con la conductividad de los metales, sino que también pueden desempeñar el papel de los semiconductores. Por lo tanto, es real que la posibilidad en el futuro desplaza completamente el silicio en los procesadores y otras fichas y cree fichas hechas completamente de nanotubos de carbono.

Por otro lado, "Bury" Silicon también es temprano. Primero, es poco probable que la deposición completa de los nanotubos de carbono de silicona en los chips suceda en la próxima década. Y esto es observado por los autores de los desarrollos exitosos. En segundo lugar, también están disponibles las perspectivas de Silicon. Además de los nanotubos de carbono, Silicon también tiene posibilidades de asegurar un futuro en nanoelectrónica, en forma de nanocronicos de silicio, nanotubos, nanotríferos y otras estructuras que también están sujetas a estudiar en muchos laboratorios de investigación.

Palabra después

En conclusión, me gustaría agregar que este artículo logró cubrir solo una parte muy pequeña de lo que está sucediendo en el campo de la nanoelectrónica de carbono. Los cabezales de luz continúan inventando una tecnología sofisticada, algunos de los cuales pueden convertirse en la base de la electrónica futura. Algunos tienden a creer que los nanorobots, las pantallas transparentes, los televisores que se pueden torcer en un tubo delgado, y otros dispositivos increíbles siguen siendo fantásticos y regresan a la realidad solo en un futuro muy lejano. Pero una serie de estudios llamativos se ven obligados hoy a pensar en el hecho de que todas las perspectivas tan distantes.

Además, además de los discutidos en este artículo, los nanotubos de carbono y los descubrimientos asombrosos de grafeno ocurren en electrónica molecular. Los estudios curiosos se realizan en el campo de la comunicación entre los mundos biológicos y de silicio. Muchas perspectivas de desarrollo de la industria informática. Y para predecir lo que sucederá en 10-15 años, probablemente nadie tomará. Obviamente, una cosa: delante de nosotros está esperando muchos más descubrimientos emocionantes y dispositivos llamativos.

Fuentes de información utilizadas por escribir un artículo.

• [Correo electrónico protegido] ()
• Physorg.com ())))
• IBM Research ()
• K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. DUBONOS, I. V. Grigorieva, A. A. A. A. Firsov. "Efecto de campo eléctrico en películas de carbono delgadoras"
• K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Programas, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, y a.k. Geim "cristales atómicos bidimensionales"
• Quanshui Zheng, Qing Jiang. Nanotubos de carbono multiamblado como Osciladores de Gightertz »

Facultad Física

Departamento de Física Semiconductora y Optoelectrónica.

S. M. Slakina

"Nanotubos de carbon"

Descripción del trabajo de laboratorio a la tasa.

"Materiales y métodos de nanotecnología".

Nizhny Novgorod 2006

El propósito de este trabajo es: familiarizarse con las propiedades, la estructura y la tecnología de obtener nanotubos de carbono y estudiar su estructura mediante el método de microscopía electrónica translúcida.

1. Introducción

Hasta 1985, se sabía que el carbono podría existir en la naturaleza en dos estados alotrópicos: Formulario 3D (estructura de diamantes) y forma 2D en capas (estructura de grafito). En grafito, cada capa se forma a partir de una cuadrícula de hexágonos con una distancia entre los vecinos más cercanos D C - C \u003d 0.142 NM. Las capas se encuentran en las secuencias AVAV ... (Fig. 1), donde los átomos estoy directamente por encima de los átomos en aviones adyacentes, y los átomos II están en los centros de hexágonos en regiones adyacentes. La estructura cristalográfica resultante se muestra en la Figura 1A, donde un vector 1 y A 2 es un solo vector en un plano de grafito, C es un solo vector, plano hexagonal perpendicular. La distancia entre los aviones en la celosía es de 0.337 nm.

Higo. 1. (a) Estructura cristalográfica del grafito. La parrilla está determinada por vectores individuales A 1, A 2 y C. (b) la zona de Brillouin correspondiente.

Debido al hecho de que la distancia entre las capas es mayor que la distancia en hexagonas, el grafito se puede aproximar como material 2D. El cálculo de la estructura de la banda muestra la degeneración de las zonas en el punto a la zona de brillouin (ver Fig. 1b). Esto es de particular interés debido al hecho de que el nivel FERMI cruza este punto de degeneración, que caracteriza a este material como semiconductor con la hendidura de energía desaparecida en T → 0. Si los cálculos tienen en cuenta las interacciones de interplanario, entonces en la estructura de la zona hay una transición del semiconductor a semimetallo debido a la superposición de las zonas de energía.

En 1985, Harold Kroto y Richard Smiths fueron abiertos Fullerenos - Formulario de 0D que consiste en 60 átomos de carbono. Este descubrimiento fue honrado en 1996 por el Premio Nobel de Química. En 1991, Izhimi encontró una nueva forma de carbono 1D: formaciones de carbono tubulares oblongas llamadas "nanotubos". El desarrollo de las tecnologías Krechmer y Huffman de su producción en cantidades macroscópicas estableció el inicio de los estudios sistemáticos de las estructuras de la superficie del carbono. El elemento principal de tales estructuras es la capa de grafito: la superficie presentada por los cinco y seis y siezfones de la derecha (pentágonos, hexágono y heptágono) con átomos de carbono ubicados en los vértices. En el caso de fullerenos, tal superficie tiene una forma esférica o esférica cerrada (FIG. 2), cada átomo está asociado con 3 vecinos y comunicación - SP 2. La molécula de fullereno más común con 60 consiste en 20 hexágonos y 12 pentágonos. Su tamaño transversal es 0.714nm. Bajo ciertas condiciones, la molécula C 60 puede organizar y formar un cristal molecular. Bajo ciertas condiciones, a temperatura ambiente, la molécula C 60 puede organizar y formar cristales moleculares de color rojizo con una parrilla cúbica graveable cuyo parámetro es de 1.41 nm.

Figura 2. Molécula con 60.

2. Estructura de nanotubos de carbono.

2.1 El ángulo de la quiralidad y el diámetro de los nanotubos.

Los nanotubos de carbono son estructuras extendidas que consisten en colapsadas en capas de grafito de tubo de una sola capa (ASNT) o MULTILAYER (MSNT). El diámetro más pequeño de los nanotubos conocido es de 0.714 nm, que es el diámetro de la molécula de fullereno con 60. La distancia entre las capas es casi siempre 0,34 nm, que corresponde a la distancia entre las capas en grafito. La longitud de tales formaciones alcanza las decenas de micrones y varios órdenes de magnitud excede su diámetro (Fig. 3). Los nanotubos pueden estar abiertos o terminados con semisadores que se asemejan a la mitad de la molécula de fullereno.

Las propiedades de los nanotubos se determinan mediante el ángulo de orientación del plano de grafito en relación con el eje del tubo. La Figura 3 muestra las dos estructuras de nanotubos de alta velocidad posibles: zigzal (zigzag) y silla (sillón). Pero en la práctica, la mayoría de los nanotubos no tienen formas tan altamente asimétricas, es decir. En ellos, los hexágonos giran en espiral alrededor del eje de la tubería. Estas estructuras se llaman quiral.

Fig. 3. Modelos idealizados de nanotubos de una sola capa con zigzag (a) y presidente (b) orientaciones.

Higo. 4. Los nanotubos de carbono se forman al torcer los planos de grafito en un cilindro, conectando un punto ACA ". El ángulo de la quiralidad se define como Q - (a). Tipo de tubo" Sillón ", con h \u003d (4.4) - (b). Paso P depende de la esquina Q - (c).

Hay un número limitado de circuitos, con los cuales el nanotube se puede construir de la capa de grafito. Considere los puntos A y A "en la Fig. 4A. El vector que conecta A y A" se define como C H \u003d Na 1 + MA 2, donde N, M son números válidos, un vector único de 1 y 2: en el plano de grafito. El tubo se forma cuando la capa de grafito se pliega y la conexión de los puntos A y A. Luego, se determina por el vector C H. en la FIG. 5 se le da un esquema para indexar el vector de cuadrícula c h.

Los índices de quiralidad de un tubo de una sola capa determina de manera única su diámetro:

donde esta la red permanente. La relación entre los índices y un ángulo de quiralidad se da por la relación:

Fig.5. Esquema de indexación Vector Lattice c h.

Los nanotubos tipo zigzag están determinados por el ángulo P. =0° que corresponde al vector (n, m) \u003d (n, 0). En ellos, las conexiones de la C-C son paralelas al eje del tubo (Fig. 3, a).

La estructura del tipo "Silla" se caracteriza por un ángulo. P. = ± 30 ° correspondiente al vector (n, m) \u003d (2n, -n) o (n, n). Este grupo de tubos tendrá C-debido a la comunicación, perpendicular al eje del tubo (Fig. 3B y 4B). Las combinaciones restantes forman tubos quirales, con ángulo de 0 °.<<P. <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла P. .

2.2 Estructura de los nanotubos de varias capas.

Los nanotubos multicapa difieren de una capa significativamente más amplia variedad de formas y configuraciones. La diversidad de estructuras se manifiesta tanto en el longitudinal como en la dirección transversal. Las posibles variedades de la estructura transversal de los nanotubos multicapa se presentan en la FIG. 6. La estructura del tipo de "anidamiento ruso" (Fig. 6A) es una combinación de nanotubos cilíndricos de una sola capa anidados coaxialmente. Otro tipo de esta estructura mostrada en la FIG. 6B, representa una combinación de prismas coaxiales incrustados entre sí. Finalmente, la última de las estructuras anteriores (Fig. 6B) se asemeja a un pergamino. Para todas las estructuras anteriores, la distancia entre las capas de grafito adyacentes se caracteriza, cerca de 0.34 nm, inherente a la distancia entre los planos adyacentes de grafito cristalino. La implementación de una u otra estructura en una situación experimental específica depende de las condiciones de síntesis de los nanotubos.

Los estudios de nanotubos de múltiples capas han demostrado que las distancias entre las capas pueden variar de un valor estándar de 0.34 nm a un doble valor de 0.68 nm. Esto indica la presencia de defectos en los nanotubos, cuando una de las capas está parcialmente ausente.

Una parte significativa de los nanotubos de múltiples capas puede tener una forma multi-coronal en la sección transversal, de modo que las secciones de la superficie plana estén adyacentes a las superficies de la superficie de alta curvatura, que contienen los bordes con un alto grado de SP 3 -Hhbridized carbon. Estos bordes limitan las superficies compuestas por carbono hibridado SP 2, y determinan muchas propiedades de los nanotubos.

Fig. 6. Modelos de estructuras transversales de nanotubos multicapa (A) - "Russian Matryoshka"; (b) - prisma hexagonal; (B) - Desplazarse.

Otro tipo de defectos, a menudo anotados en la superficie de grafito de los nanotubos multicapa, se asocia con la introducción a la superficie que consiste principalmente en hexágonos, una serie de pentágonos o heptágonos. La presencia de tales defectos en la estructura de los nanotubos conduce a una violación de su forma cilíndrica, y la introducción del Pentágono causa una flexión convexa, mientras que la introducción del heptágono contribuye a la aparición de un codo empinado que se dobla. Por lo tanto, tales defectos causan la aparición de nanotubos curvos y espirales, la presencia de espirales con una etapa constante indica una disposición más o menos regular de los defectos en la superficie de los nanotubos. Se encontró que las tuberías de la silla se pueden conectar a las tuberías de zigzag utilizando un compuesto de codo que comprende un pentágono desde el lado exterior del codo y el heptágono desde su lado interno. Como ejemplo en la FIG. 7 muestra el compuesto (5.5) del tubo de la silla y (9.0) del tubo de zigzag.

Higo. 7. Ilustración de un "compuesto de codo" entre (5.5) encantador y (9.0) tubo zigzag. (a) Patrón de perspectiva con anillos sombreados pentagonales y hexagonales, (b) estructura diseñada para el plano de la simetría del codo.

3. Métodos de obtención de nanotubos de carbono.

3.1 Recepción de grafito en descarga de arco

El método se basa en la formación de nanotubos de carbono con la pulverización térmica del electrodo de grafito en el plasma de la descarga del arco, quemándose en la atmósfera de helio. Este método permite obtener nanotubos en una cantidad suficiente para un estudio detallado de sus propiedades fisicoquímicas.

El tubo se puede obtener a partir de fragmentos de grafito extendido, que se retorcieron aún más en el cilindro. Para la formación de fragmentos extendidos, se necesitan condiciones especiales para el calentamiento de grafito. Las condiciones óptimas para obtener nanotubos se implementan en una descarga de arco cuando se usa el grafito de la electrólisis como electrodos. En la Fig. 8 muestra un esquema de instalación simplificado para obtener fullerenos y nanotubos.

La pulverización del grafito se lleva a cabo pasando a través de los electrodos de la corriente con una frecuencia de 60 Hz, el valor actual de 100 a 200a, el voltaje es de 10 a 20 V. Ajuste de la tensión del resorte, se puede lograr que la parte principal de la potencia de entrada se destaca en el arco, y no en la varilla de grafito. La cámara está llena de helio con una presión de 100 a 500 Torr. La tasa de evaporación del grafito en esta configuración puede alcanzar los 10 g / w. Al mismo tiempo, la superficie de la carcasa de cobre enfriada por agua está cubierta por el producto de la evaporación del grafito, es decir,. Hollín de grafito. Si el polvo resultante se raspea y se resiste durante varias horas en un tolueno de ebullición, resulta de líquido marrón oscuro. Cuando se evaporó en un evaporador giratorio, se obtiene un polvo fino, su peso no es más del 10% del peso del hollín de grafito original, contiene hasta un 10% de fullerenos y nanotubos.

En el método descrito para obtener nanotubos, el helio desempeña el papel del gas tampón. Los átomos de helio realizan la energía resaltada al combinar fragmentos de carbono. La experiencia muestra que la presión óptima del helio para obtener fullerenos está en el rango de 100 Torr, para obtener nanotubos, en el rango de 500 Torr.

Higo. 8. Esquema de instalación para fullerenos y nanotubos. 1 - electrodos de grafito; 2 - neumático de cobre enfriado; 3 - Carcasa de cobre, 4 - Springs.

Entre los diversos productos de la pulverización térmica de grafito (fullerenos, nanopartículas, partículas de hollín), una pequeña parte (un par de por ciento) cuentan con nanotubos múltiples, que están parcialmente unidos a las superficies de la superficie fría, depositadas parcialmente en la superficie junto con Hollín.

Los nanotubos de una sola capa se forman cuando el FE, CO, NI, CD (I.E. agregando catalizadores se agrega al ánodo. Además, el ASTN se obtiene mediante oxidando nanotubos multicapa. Para oxidar, los nanotubos multicapa se tratan con oxígeno con calentamiento moderado o ácido nítrico de ebullición, y en este último caso, se eliminan los anillos de grafito de cinco miembros, lo que lleva a la abertura de los extremos de los tubos. Oxidación le permite eliminar las capas superiores de un tubo multicapa y abrir sus extremos. Dado que la reactividad de las nanopartículas es más alta que la de los nanotubos, con una destrucción significativa del producto de carbono como resultado de la oxidación, aumenta la proporción de nanotubos en la parte restante.

3.2 Método de evaporación láser

Una alternativa al cultivo de nanotubos en la descarga del arco es el método de evaporación del láser. En este método, se sintetiza principalmente por tía durante la evaporación de una mezcla de carbono y metal de transición con un haz láser de un objetivo que consiste en una aleación de metal con grafito. En comparación con el método de descarga del arco, la evaporación directa permite proporcionar un control más detallado de las condiciones de crecimiento, realizar operaciones a largo plazo y producir nanotubos con un gran rendimiento de una calidad adecuada y mejor. Los principios fundamentales que subyacen en la producción de la OSND mediante el método de evaporación del láser son los mismos que en el método de descarga del arco: los átomos de carbono comienzan a acumular y forman un compuesto en la ubicación de las partículas de catalizador de metal. En la instalación (Fig. 9), el haz láser de escaneo se centró en un lugar de 6-7 mm para un objetivo que contiene grafito de metal. El objetivo se colocó en un argón lleno (a presión elevada) y se calentó a 1200ºC. El hollín, que se formó durante la evaporación con láser, se llevó a cabo mediante el flujo de argón desde la zona de alta temperatura y se depositó al colector de cobre enfriado en agua, ubicado a la salida de la tubería.

Higo. 9. Esquema de instalación de ablación láser.

3.3 Precipitación química de la fase gaseosa.

El método de deposición de productos químicos plasma de la fase gaseosa (PHO) se basa en el hecho de que la fuente de gas de carbono (con mayor frecuencia metano, acetileno o monóxido de carbono) está expuesta a cualquier fuente de alta energía (plasma o bobina climatizada resistiva) en Para dividir la molécula en el carbono atómico activo reactivo. Siguiente ocurre su pulverización sobre un sustrato acalorado recubierto con un catalizador (generalmente estos metales de transición del primer período, FE, CO, NI, etc.), que se deposita por carbono. Los nanotubos se forman solo con parámetros estrictamente seguidos. La reproducción exacta de la dirección de crecimiento de los nanotubos y su posicionamiento a nivel de nanómetro solo se pueden lograr al recibir el método de la PHO catalítica. Posible control sobre el diámetro de los nanotubos y su tasa de crecimiento. Dependiendo del diámetro de las partículas de catalizador, un ASNT exclusivamente o MSNT puede crecer. En la práctica, esta propiedad se usa ampliamente en la tecnología de crear sondas para escanear la microscopía de la sonda. Configuración de la posición del catalizador Al final de la aguja de silicio en voladizo, puede crecer un nanotube, que mejorará significativamente la reproducibilidad de las características y la resolución del microscopio, tanto al escanear como durante las operaciones litográficas.

Por lo general, la síntesis de los nanotubos según el método PHO se produce en dos etapas: la preparación del catalizador y el crecimiento real de los nanotubos. La aplicación del catalizador se lleva a cabo rociando el metal de transición a la superficie del sustrato, y luego, utilizando grabado químico o recocido, inicializa la formación de las partículas de catalizador, en la que aumenta el crecimiento del nanotubo (Fig. 10). La temperatura en la síntesis de los nanotubos varía de 600 a 900 ° C.

Entre los múltiples métodos de PO, se debe observar el método de pirólisis catalítica de hidrocarburos (Fig. 10), en la que es posible realizar una gestión flexible y separada de la formación de nanotubos.

Como catalizador, generalmente se usa hierro, que se forma en un medio reductor de varios compuestos de hierro (cloruro de hierro (III), salicilato de hierro (III) o pentarbonilo). Se rocía una mezcla de sales de hierro con hidrocarburo (benceno) en la cámara de reacción o flujo direccional de argón, o utilizando un pulverizador ultrasónico. El aerosol resultante con el flujo de argón entra en un reactor de cuarzo. En la zona de horno de precalentamiento, el flujo de aerosol se calienta a una temperatura de ~ 250 ° C, se produce la evaporación del hidrocarburo y comienza el proceso de descomposición de la sal que contiene metales. A continuación, el aerosol cae en la zona del horno de pirólisis, la temperatura en la que se encuentra a 900 ° C. A esta temperatura, el proceso de la formación de partículas de catalizador micro y nano-tamaño, la pirólisis del hidrocarburo, la formación en las partículas metálicas y las paredes del reactor de varias estructuras de carbono, incluidos los nanotubos. Luego, la corriente de gas, que se mueve a lo largo de la tubería de reacción, ingresa a la zona de enfriamiento. Los productos de pirólisis se depositan al final de la zona de pirólisis en el agua enfriada con una barra de cobre.

Higo. 10. Esquema de la instalación de la pirólisis catalítica de hidrocarburos.

4. Propiedades de los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono combinan las propiedades de las moléculas y sólidas y son consideradas por algunos investigadores como un estado intermedio de la sustancia. Los resultados de los primeros estudios de nanotubos de carbono indican sus propiedades inusuales. Algunas propiedades de los nanotubos de una sola capa se muestran en la tabla. uno.

Las propiedades eléctricas del ASNT están determinadas en gran medida por su quiralidad. Numerosos cálculos teóricos dan una regla general para determinar el tipo de conductividad ASNT:

los tubos con (n, n) son siempre metálicos;

tubos con N - M \u003d 3J, donde J no es un número entero cero, son semiconductores con un ancho pequeño de la zona prohibida; Y todos los demás son semiconductores con un ancho grande de la zona prohibida.

De hecho, la teoría de la zona para los tubos N - M \u003d 3J proporciona un tipo metálico de conductividad, pero cuando el plano está curvado, se abre una tragamonedas pequeña en el caso de Non-Zero j. Los nanotubos de la silla de ruedas (N, N) en la representación de un solo electrón permanecen metales, independientemente de la curvatura de la superficie, debido a su simetría. Con un aumento en el radio del tubo, el ancho R de la zona prohibida para semiconductores, con un ancho grande y bajo disminuye por la Ley 1 / R y 1 / R 2, respectivamente. Por lo tanto, para la mayoría de los nanotubos observados experimentalmente, una ranura con un ancho pequeño, que está determinado por el efecto de la curvatura, será tan pequeño que en condiciones de uso práctico, todos los tubos con N - M \u003d 3J se consideran metálicos a temperatura ambiente.

tabla 1

Propiedades	Nanotubos de una sola capa	Comparación con datos conocidos.
Característica	Diámetro de 0.6 a 1.8 nm	Límite de litografía electrónica 7 nm.
Densidad	1.33-1.4 g / cm 3	Densidad de aluminio
Fuerza de pweight		La aleación más duradera comenzó a limpiarse a 2 GPA.
Elasticidad	Doblado elásticamente en cualquier ángulo	Los metales y las fibras de carbono se rompen en los límites del grano.
Densidad de cono	Las estimaciones dan hasta 1G A / CM 2	Los alambres de cobre se queman cuando
Emisiones automáticas	Activado a 1-3 en la distancia de 1 micras.	Las agujas de molibdeno requieren 50 a 100 V, y de corta duración
Conductividad térmica	Predice hasta 6000 w / mk	Diamante puro tiene 3320 w / mk
Estabilidad de la temperatura	Hasta 2800 ° C en vacío y 750 ° С en aire.	La metalización en los esquemas se derrite a 600 - 1000 ° C.
		Oro 10 $ / g

La alta resistencia mecánica de los nanotubos de carbono en combinación con su conductividad eléctrica hace posible usarlos como una sonda en microscopios de la sonda de exploración, lo que aumenta la resolución de los dispositivos de este tipo, y los coloca en una fila con un dispositivo tan único como Un microscopio de iones de campo.

Los nanotubos tienen características de alta emisión; La densidad de la corriente de emisión auto-electrónica a un voltaje de aproximadamente 500 V alcanza el valor de 0.1 A. CM -2 a temperatura ambiente. Esto abre la posibilidad de crear nuevas pantallas de generación según ellas.

Los nanotubos con un extremo abierto exhiben el efecto capilar y pueden dibujar metales fundidos y otras sustancias líquidas. La implementación de estas propiedades de Nanotube abre la perspectiva de crear hilos conductores con un diámetro cerca del nanómetro.

El uso de nanotubos en tecnología química es muy prometedora, lo que se debe, por un lado, con su área de superficie alta específica y su estabilidad química, y, por otro lado, con la posibilidad de unirse a la superficie de los nanotubos de varios radicales, que puede servir como en el futuro o por centros catalíticos, o gérmenes para la implementación de una variedad de transformaciones químicas. La formación de nanotubos se retorció repetidamente con estructuras en espiral orientadas al azar con una manera aleatoria, conduce al material nanotubo de una cantidad significativa de cavidades de tamaño nanómetros disponibles para penetrar en el exterior de líquidos o gases. Como resultado, el área de superficie específica del material compuesta por nanotubos está cerca del valor apropiado para el nanotubo individual. Este valor en el caso de un nanotube de una sola capa es de aproximadamente 600 m 2. M -1. Un valor tan alto de la superficie de la superficie específica de los nanotubos abre la posibilidad de usarlos como un material poroso en filtros, en los dispositivos de tecnología química, etc.

Actualmente, se proponen varias opciones para el uso de nanotubos de carbono en sensores de gas, que se utilizan activamente en ecología, energía, medicina y agricultura. Los sensores de gas basados \u200b\u200ben el cambio en la termoperencia o resistencia se crean durante la adsorción de moléculas de varios gases en la superficie de los nanotubos.

5. Aplicación de nanotubos en electrónica.

Aunque los usos tecnológicos de los nanotubos, basados \u200b\u200ben su alta superficie específica, son intereses aplicados significativos, las más atractivas son las instrucciones del uso de los nanotubos que están asociados con los desarrollos en diversos campos de la electrónica moderna. Tales propiedades de los nanotubos, como sus tamaños pequeños, cambiando bajo límites significativos, dependiendo de las condiciones de síntesis, conductividad eléctrica, resistencia mecánica y estabilidad química, nos permiten considerar al nanotubo como base de los elementos futuros de microelectrónica.

La introducción en la estructura ideal de un nanotubo de una sola capa como un defecto de un par de Pentágono, un sevenginoso (como en la FIG. 7), cambia su quiralidad y, como resultado, sus propiedades electrónicas. Si consideramos la estructura (8.0) / (7,1), luego se desprende de los cálculos que el tubo de quiralidad (8.0) es un semiconductor con un ancho de la zona prohibida 1.2 EV, mientras que el tubo con quiralidad (7, 1 ) es semimetall. Por lo tanto, este nanotube curvo debe ser una transición molecular de un metal-semiconductor y se puede usar para crear un diodo enderezado, uno de los elementos principales de los circuitos electrónicos.

De manera similar, como resultado de la implementación del defecto, se puede obtener el semiconductor, semiconductor con diferentes valores del ancho de la zona prohibida. Por lo tanto, los nanotubos con defectos implementados en ellos pueden ser la base de un elemento semiconductor de tamaños pequeños registrados. La tarea de implementar un defecto en la estructura ideal de un nanotube de una sola capa representa ciertas dificultades técnicas, pero se puede esperar que, como resultado del desarrollo de la tecnología creada recientemente, la tecnología de obtener nanotubos de una sola capa con una cierta quiralidad. Encontrará una solución exitosa.

Basado en nanotubos de carbono, fue posible crear un transistor, de acuerdo con sus propiedades que excedan esquemas similares de Silicon, que actualmente es el componente principal en la fabricación de chips de semiconductores. En la superficie de un sustrato de silicio de un tipo P o N, una capa de SiO2 se recubierta previamente con 120 nm, los electrodos de platino del origen y el drenaje y la solución se precipitó con nanotrubs de una sola capa ( Fig. 11).

Fig .11. Transistor de campo en un semiconductor nanotube. Nanotube se encuentra en un sustrato no conductivo (cuarzo) en contacto con dos cables ultra delgados, como un tercer electrodo (obturador) se usa una capa de silicona (A); La dependencia de la conductividad en la cadena desde el potencial del obturador (B) 3.

La tarea

1. Confianza con las propiedades, la estructura y la tecnología de los nanotubos de carbono.

2. Prepare el material de nanotubos de carbono para el estudio mediante microscopía electrónica translúcida.

3. Obtenga una imagen enfocada de nanotubos con diferentes zoom. Con la resolución más alta posible, estime el tamaño (longitud y diámetro) de los nanotubos propuestos. Haga una conclusión sobre la naturaleza de los nanotubos (una sola capa o multicapa) y los defectos observados.

Preguntas de control

1. Estructura electrónica de materiales de carbono. La estructura de los nanotubos de una capa. Estructura de los nanotubos multicapa.

2. Las propiedades de los nanotubos de carbono.

3. Parámetros básicos que determinan las propiedades eléctricas de los nanotubos. Regla general para determinar el tipo de conductividad de un nanotubo de una sola capa.

5. Áreas de aplicación de nanotubos de carbono.

6. Métodos de obtención de nanotubos: el método de descomposición térmica del grafito en la descarga del arco, el método de evaporación láser del grafito, el método de precipitación química de la fase gaseosa.

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Nanotubos de carbono - Técnicas innovadoras para mañana. La producción y la introducción de nanobolens mejorarán la calidad de los bienes y productos, reduciendo significativamente su peso y aumentarán la fuerza, y también dotaron nuevas características.

¿Qué son los nanotubos de carbono?

Los nanotubos de carbono o la nanoestructura tubular (nanotubule) se crean artificialmente en condiciones de laboratorio, una o estructuras cilíndricas huecas de tamaño múltiple obtenidas de átomos de carbono y con propiedades mecánicas, electrofísicas y físicas excepcionales.

Los nanotubos de carbono se obtienen de átomos de carbono y tienen la forma de los tubos o cilindros. Son muy pequeños (a nivel nano), con un diámetro de uno a varias decenas de nanómetros y una longitud de hasta varios centímetros. Los nanotubos de carbono consisten en grafito, pero poseen otras características que no tienen grafito. No existen en la naturaleza. Su origen tiene una base artificial. El cuerpo de los nanotubos sintéticos, creados por personas independientemente de principio a fin.

Si observa un aumento de uno por un millón de veces al nanotubo, entonces puede ver el cilindro alargado que consiste en hexágonos equiláteros con átomos de carbono en sus vértices. Este es un plano de grafito de corte. La quiralidad de los nanotubos depende de sus características y propiedades físicas.

Mayor nanotubo una vez que un cilindro extendido consiste en hexágonos equiláteros con átomos de carbono en sus vértices. Este es un plano de grafito retorcido.

Chirality (SPG. Chirality): la propiedad de la molécula no se combina en el espacio con su reflejo de espejo.

Si la interprinte, entonces la chiralidad es cuando nos damos la vuelta, por ejemplo, una hoja de papel suavemente. Si eres permanente, esto es ahiralidad. Los nano-fuelle pueden tener una estructura de una sola capa y multicapa. La estructura multicapa no es más que varios nanotubos de una sola capa, "vestidos" uno por uno.

Apertura de la historia

La fecha exacta de abrir los nanotubos y su descubridor son desconocidos. Este tema es la comida para disputas y razonamiento, ya que hay muchas descripciones paralelas de estas estructuras por parte de científicos de diferentes países. La principal dificultad para identificar al descubridor es que los nanotubos y las nanofibras, que caen en el campo de la visión de los científicos, no atraeron su atención por mucho tiempo y no fueron estudiados cuidadosamente. Las obras científicas existentes demuestran que la posibilidad de crear nanotubos y fibras de materiales que contienen carbono se permitió teóricamente en la segunda mitad del siglo pasado.

La razón principal por la cual no se tomó un largo tiempo estudios graves de compuestos de carbono de micrones, es que en ese momento los científicos no tenían una base científica bastante poderosa para la investigación, a saber, no había equipo capaz de mejorar el objeto de estudio y brillar. su estructura.

Si hay eventos para el estudio de los compuestos de Nanocherborbon en orden cronológico, entonces el primer testimonio cae en 1952, cuando los científicos soviéticos de Radushkevich y Lukyanovich, se atrayó a una estructura de Nanofibre formada durante la descomposición por el método térmico de óxido de carbono (ruso Nombre - óxido). La estructura observada por equipos microscópicos electrónicos tenía una fibra con un diámetro de aproximadamente 100 nm. Desafortunadamente, la fijación de la nanoestructura inusual no siguió y continuó investigando más.

Después de 25 años de olvido desde 1974, la información sobre la existencia de estructuras tubulares de Micron de carbono comienza a caer en el periódico. Entonces, un grupo de científicos japoneses (T. Koyyama, M. Endo, A. Oberlin) durante los estudios en 1974-1975. Los resultados de varios de sus estudios se presentaron al público en general, que contenía una descripción de los tubos delgados con un diámetro de menos de 100 Å, que se obtuvieron de vapor durante la condensación. Además, la formación de estructuras huecas con una descripción de la estructura y mecanismo de la educación obtenida en el estudio de las propiedades de carbono es descrita por los científicos soviéticos del Instituto de Catalysis de la Academia de Ciencias de la URSS en 1977.

Å (Agshstrom): una unidad de medida de las distancias iguales a 10-10 m. En el sistema del sistema, la magnitud cercana a la animación es un nanómetro (1 nm \u003d 10 Å).

Las fullerenes son huecas, moléculas esféricas en forma de bola o bola de rugby.

Fullerenes - Cuarto, previamente desconocido, modificación de carbono, abierta por el químico inglés y el astrofisario Harold Mrel

Y solo después del uso en sus estudios científicos de los últimos equipos, lo que permite considerarlo en detalle y brillar la estructura de carbono de los nanotubos, el científico japonés Sumio-IDIMA (Sumio IIJIMA) en 1991, se realizaron los primeros estudios graves, como resultado de los cuales lograron obtener nanotubos de carbono experimentados y en detalle..

En sus estudios, el profesor IDES para obtener una muestra experimental se vio afectada por grafito rociado por una descarga de arco eléctrico. El prototipo fue cuidadosamente medido. Sus dimensiones mostraron que el diámetro de las roscas (marco) no excede varios nanómetros, con una longitud de uno a varios micrones. Estudiando la estructura de los nanotubos de carbono, los científicos han encontrado que el objeto que se está estudiando puede tener de una a varias capas que consisten en una cuadrícula hexagonal de grafito basada en los hexágonos. Al mismo tiempo, los extremos de los nanotubos se parecen estructuralmente la media mitad disectada de la molécula de fullereno.

En el momento de los estudios anteriores, ya había obras de científicos conocidos en su campo como Jones, L.A. Chernozaconsky, M.YU. Cornilov predice la posibilidad de formación de esta forma de carbono alotrópico que describe su estructura, física, química y otras propiedades.

La estructura de múltiples capas del nanotube no es más que varios nanotubulenos de una sola capa, "vestidos" uno a uno en el principio de la matriz rusa

Propiedades electrofísicas

Las propiedades electrofísicas de los nanotubos de carbono están en la etapa del estudio más cercano de los científicos de todo el mundo. Diseño de nanotubos En ciertas relaciones geométricas, puede darles propiedades de conducción o semiconductores. Por ejemplo, el diamante y el grafito son carbono, pero debido a las diferencias en la estructura molecular que tienen diferentes, y en algunos casos, las propiedades opuestas. Tales nanotubos se llaman metal o semiconductor.

Los nanotubos que realizan una corriente eléctrica incluso con temperaturas cero absolutos son metálicas. La conductividad cero de la corriente eléctrica en un cero absoluto, que aumenta con un aumento de la temperatura, indica un signo de nanoestructura semiconductora.

La clasificación principal se distribuye mediante el método de plegado del plano de grafito. El método de plegado se denota por dos números: "M" y "N", que establece la dirección de plegado en los vectores de Graphite Grille. Desde la geometría del plano de grafito plegable, las propiedades de los nanotubos dependen, por ejemplo, el ángulo de torsión afecta directamente sus propiedades electrofísicas.

Dependiendo de los parámetros (N, M), los nanotubos son: recta (AHIRA), engranajes ("sillón"), zigzag y espiral (quiral). Para calcular y planificar la conductividad eléctrica, se utiliza la fórmula de relaciones de parámetros: (N-M) / 3.

El entero obtenido en el cálculo indica la conductividad de los nanotubos del tipo de metal y el fraccionario: semiconductor. Por ejemplo, el metal son todos los tubos como "Silla". Los nanotubos de carbono de tipo metálico se realizan con una corriente eléctrica con cero absoluto. El tipo de semiconductora de nano-fuelle tiene cero conductividad a un cero absoluto, que aumenta con la temperatura creciente.

Los nanotubos con un tipo de metal de conductividad pueden saltar aproximadamente el amplificador de mil millones por centímetro cuadrado. El cobre, siendo uno de los mejores conductores de metal, es inferior a los nanotubos para estos indicadores más de mil veces. Cuando se excede el límite de conductividad, se produce calefacción, que se acompaña, que se acompaña de fusión del material y la destrucción de la rejilla molecular. Con nano-breaks en igualdad de condiciones, esto no ocurre. Esto se explica por su muy alta conductividad térmica, que excede los indicadores de diamante dos veces.

En términos de fuerza, Nanobolen también deja a otros materiales muy atrás. Es más fuerte que las aleaciones más duraderas de acero 5-10 veces (1.28-1.8 TPA de acuerdo con el módulo JUNG) y tiene una elasticidad de 100 mil veces mayor que el caucho. Si comparas los indicadores de límite de fuerza, entonces exceden las características de fuerza similares de acero de alta calidad en 20-22 veces!

Como conseguir un

Los nanotubos se obtienen mediante métodos de alta temperatura y baja temperatura.

La alta temperatura puede incluir métodos de ablación láser, tecnología solar o descarga de arco eléctrico. El método de baja temperatura ha absorbido la precipitación química de la fase de vapor utilizando la descomposición catalítica de los hidrocarburos, el cultivo catalítico de fase gaseosa del monóxido de carbono, la producción por electrólisis, el tratamiento térmico del polímero, la pirólisis local de baja temperatura o la catálisis local. Todas las formas son complejas para la comprensión, de alta tecnología y muy caros. La producción de nanotubos puede permitirse solo una gran empresa con una base científica poderosa.

Simplificado, el proceso de obtención de nanotubos de carbono con una forma de arco de la siguiente manera:

El reactor se calentó a una cierta temperatura con un circuito cerrado a través de una unidad de inyección, se introduce un plasma en un estado gaseoso. En el reactor, en la parte superior e inferior, se instalan bobinas magnéticas, una de las cuales es un ánodo y el otro cátodo. Se sirve corriente eléctrica permanente en bobinas magnéticas. El plasma se ve afectado por el plasma en el reactor, que se gira y el campo magnético. Bajo la acción de un arco de electrónThoplasma de alta temperatura de la superficie de un ánodo, que consiste en material que contiene carbono (grafito), se evapora o "dejando" el carbono y se condensa en un cátodo en forma de nanotubos de carbono contenidos en sedimento. Para que los átomos de carbono puedan condensarse en el cátodo, se reduce la temperatura en el reactor. Incluso una breve descripción de esta tecnología le permite evaluar la complejidad y el costo de obtener nanobolens. Tomará incluso mucho tiempo antes de que el proceso de producción y la solicitud estén disponibles para la mayoría de las empresas.

Galería de fotos: Esquema y equipo para obtener nanotubos de carbono.

Instalación en la síntesis de nanotubos de un solo carbono por un método de arco eléctrico Instalación científica de pequeña potencia para obtener una nanoestructura tubular.
Método de obtención de bajo rendimiento.

Instalación para obtener nanotubos largos de carbono.

¿Eres tóxico?

Definitivamente sí.

En el proceso de investigación de laboratorio, los científicos llegaron a la conclusión de que los nanotubos de carbono afectan negativamente a los organismos vivos. Esto, a su vez, confirma la toxicidad de los nanotubos, y es menor y menos un científico dudando este importante problema.

A medida que se muestran los estudios, la interacción directa de los nanotubos de carbono con las células vivas conduce a su muerte. Especialmente los nanotubos de una sola capa tienen una fuerte actividad antimicrobiana. Experimentos, los científicos comenzaron a realizar la cultura común del reino de las bacterias (Chopstick intestinal) E-SOLI. En el proceso de investigación, se aplicaron nanotubos de una sola capa con un diámetro de 0,75 a 1,2 nanómetros. A medida que se mostraron los experimentos, como resultado de los efectos de los nanotubos de carbono en una célula viva, se produce daño al método mecánico de las paredes celulares (membranas).

Los nanotubos, obtenidos por otros métodos, contienen una gran cantidad de metales y otras impurezas tóxicas. Muchos científicos sugieren que la toxicidad de los nanotubos de carbono en sí no depende de su morfología, sino que está conectada directamente con las impurezas contenidas en ellas (nanotubos). Sin embargo, el trabajo de los científicos de Yale en el campo del estudio de Nanotubes mostró la representación errónea de muchas comunidades. Por lo tanto, las bacterias de los palos intestinales (E-SLI) en el proceso de estudios se trataron con nanotubos de carbono de una sola capa durante una hora. Como resultado, la mayoría de los e-soli murieron. Estos estudios en el campo de los nanomateriales confirmaron su toxicidad y un impacto negativo en los organismos vivos.

Los científicos concluyeron que los nanotubos de una sola capa son los más peligrosos, esto se debe a la proporción proporcional de la longitud del nanotubo de carbono a su diámetro.

Diferentes estudios en términos de la influencia de los nanotubos de carbono en el cuerpo humano llevó a los científicos a la conclusión sobre los efectos idénticos, como en el caso de las fibras de asbesto en el cuerpo. El grado de efectos negativos de las fibras de asbesto depende directamente de su tamaño: menor, el impacto negativo es más fuerte. Y en el caso de los nanotubos de carbono y la duda, no está en su impacto negativo en el cuerpo. Encontrar en el cuerpo junto con el aire, el nanotubo a través de la pleura se resuelve en el pecho, lo que causa complicaciones graves, en particular, los tumores de cáncer. Si la penetración en el cuerpo de los nano-frijoles ocurre a través de los alimentos, se establecieron en las paredes del estómago y los intestinos, causando varias enfermedades y complicaciones.

Actualmente, los científicos realizan investigaciones sobre la compatibilidad biológica de los nanomateriales y la búsqueda de nuevas tecnologías para la producción segura de nanotubos de carbono.

Perspectivas

Los nanotubos de carbono ocupan un amplio alcance de la aplicación. Esto se debe al hecho de que tienen una estructura molecular en forma de un marco, lo que lo hace tener propiedades que difieren de diamante o grafito. Se debe a sus características distintivas (resistencia, conductividad, doblado), los nanotubos de carbono se aplican con más frecuencia, en comparación con otros materiales.

Esta invención de carbono se usa en electrónica, óptica, en ingeniería mecánica, etc. Los nanotubos de carbono se utilizan como aditivos a diferentes polímeros y compuestos para mejorar la resistencia de los compuestos moleculares. Después de todo, todos saben que la rejilla molecular de compuestos de carbono tiene una fuerza increíble, especialmente en su forma pura.

Los nanotubos de carbono también se utilizan en la producción de condensadores y varios tipos de sensores, ánodos que son necesarios para la fabricación de baterías, como un absorbente de onda electromagnética. Uso amplio Este compuesto de carbono se encuentra en la fabricación de redes de telecomunicaciones y pantallas de cristal líquido. También los nanotubos se utilizan como un amplificador de propiedades catalíticas en la producción de dispositivos de iluminación.

Aplicación comercial

Mercado	Solicitud	Propiedades de los nanotubos de carbono.
Carros	Detalles del sistema de combustible y alimentación (conectores, piezas de bomba, anillos de sellado, tubos), piezas del cuerpo externas para circuito eléctrico (parachoques, carcasa de espejo, tapas de tanque de combustible)	Saldo de propiedad mejorado en comparación con el carbono técnico, la capacidad de reciclaje de las partes grandes, la resistencia a la deformación.
Electrónica	Herramientas y equipos tecnológicos, casetes para placas semiconductoras, cintas transportadoras, trastornos, equipos para habitaciones limpias	Mayor limpieza de mezclas en comparación con las fibras de carbono, controlando la resistividad de la superficie específica, la capacidad de procesar para fundar partes delgadas, la estabilidad para la deformación, el equilibrio de las propiedades, las mezclas de plástico alternativas en comparación con las fibras de carbono.

Los nanotubos de carbono no se limitan a un cierto marco para su uso en diversas industrias. El material estaba inventando relativamente recientemente, y, en relación con esto, actualmente se usa ampliamente en los desarrollos científicos y la investigación de muchos países del mundo. Esto es necesario para un estudio más detallado de las propiedades y características de los nanotubos de carbono, así como el establecimiento de una producción de material a gran escala, ya que actualmente está ocupando posiciones más débiles en el mercado.

Los nanotubos de carbono se utilizan para enfriar microprocesadores.

Gracias a las buenas propiedades de conducción, el uso de nanotubos de carbono en ingeniería mecánica ocupa un amplio rango. Este material se utiliza como dispositivos para unidades de enfriamiento que tienen tamaños masivos. En primer lugar, esto se debe al hecho de que los nanotubos de carbono tienen un alto coeficiente de conductividad térmica específica.

El uso de nanotubos en el desarrollo de la tecnología informática ocupa un papel importante en la industria electrónica. Gracias al uso de este material, se ha establecido la producción para la fabricación de pantallas bastante planas. Esto contribuye a la liberación de tamaños compactos compactos, pero al mismo tiempo no se pierde, e incluso las características técnicas de las máquinas de computación electrónica aumentan. El uso de nanotubos de carbono en el desarrollo de la tecnología informática y la industria electrónica logrará la producción de equipos, que serán excedidos por los análogos actuales a veces. Sobre la base de estos estudios, ya se crean kinescopes de alto voltaje.

El primer procesador de carbono nanotubo.

Usando problemas

Uno de los problemas de aplicar los nanotubos es un impacto negativo en los organismos vivos, lo que hace dudas sobre el uso de este material en medicina. Algunos de los expertos sugieren que en el proceso de producción en masa de nanotubos de carbono, pueden surgir riesgos desagradables. Es decir, como resultado de la expansión de las aplicaciones de los nanotubos, surgirá la necesidad de su producción a gran escala y, en consecuencia, habrá una amenaza para el medio ambiente.

Los científicos ofrecen buscar formas de resolver este problema en el uso de métodos y métodos más respetuosos con el medio ambiente para la producción de nanotubos de carbono. También se propuso a los fabricantes de este material para abordar seriamente la cuestión de "limpiar" las consecuencias del proceso CVD, que, a su vez, pueden afectar el aumento en el costo de los productos.

Fotos del impacto negativo de los nanotubos en las células A) de las células de los palos intestinales a la exposición a los nanotubos; b) Células después de la exposición a los nanotubos.

En el mundo moderno, los nanotubos de carbono hacen una contribución significativa al desarrollo de tecnologías innovadoras. Los expertos dan pronósticos para aumentar la producción de nanotubos en los próximos años y para reducir los precios de este producto. Esto, a su vez, ampliará las esferas de los nanotubos y aumentará la demanda de los consumidores en el mercado.

Nanotubos de carbono (CNT): material prometedor que está previsto que se utilice en una amplia gama de industrias, desde la producción de bicicletas hasta microelectrónica. Sin embargo, incluso el deterioro mínimo de la estructura atómica de la CNT conduce a una caída en su fuerza en un 50%. Esto hace dudas sobre la posibilidad de construir un elevador cósmico del material basado en nanotubos de carbono.

16/10/2015, Andrei Barabash 29

El equipo de investigadores de la Universidad de Stanford puede haber implementado un avance científico, que puede cambiar la vida de los amputantes. Los científicos han desarrollado un sustituto de la piel artificial, que es capaz de sentirse tocando y transmitiendo esta información al sistema nervioso. Dicha tecnología se puede utilizar al crear prótesis futuristas, que se integrarán en el sistema nervioso humano. Además, esta tecnología permitirá a las personas no solo sentirse tocadas, sino que también determinan su fuerza.