نانولوله های کربنی: تولید ، کاربرد ، خواص نانولوله های کربنی نانولوله های کربنی

سومین حالت کربن (به جز الماس و گرافیت) در حال تسخیر انقلابی دنیای فناوری های جدید است.
در اینجا گزیده ای از چندین مقاله (با پیوند به آنها) آمده است.

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
اخیراً بسیاری از روندهای امیدوار کننده در علم مواد ، فناوری نانو ، نانوالکترونیک و شیمی کاربردی با فولرن ها ، نانولوله ها و سایر ساختارهای مشابه مرتبط بوده است که می توان آنها را با اصطلاح کلی ساختارهای چارچوب کربنی نامید. آن چیست؟
داربست های کربنی بزرگ هستند (و گاهی اوقات غول پیکر هستند!) مولکول هایی که کاملاً از اتم های کربن ساخته شده اند. حتی می توان گفت که ساختارهای چارچوب کربنی شکل جدید آلوتروپیک کربن هستند (علاوه بر ساختارهای معروف: الماس و گرافیت). ویژگی اصلی این مولکول ها شکل اسکلتی آنها است: آنها در داخل "پوسته" شبیه به بسته ، خالی به نظر می رسند.
سرانجام ، انواع برنامه های کاربردی که قبلاً برای نانولوله ها اختراع شده است قابل توجه است. اولین چیزی که خود نشان می دهد استفاده از نانولوله ها به عنوان میله های میکروسکوپی و رشته های بسیار قوی است. همانطور که نتایج آزمایش ها و شبیه سازی های عددی نشان می دهد ، مدول یانگ از نانولوله تک جداره به مقادیری برابر با 1-5 TPa می رسد ، که یک مرتبه بزرگتر از فولاد است! درست است ، در حال حاضر ، حداکثر طول نانولوله ها دهها و صدها میکرون است - که البته در مقیاس اتمی بسیار بزرگ است ، اما برای استفاده روزمره بسیار کوچک است. با این حال ، طول نانولوله های به دست آمده در آزمایشگاه به تدریج در حال افزایش است - اکنون دانشمندان به مرز میلی متر نزدیک شده اند: کار را ببینید ، که سنتز یک نانولوله چند لایه به طول 2 میلی متر را توصیف می کند. بنابراین ، هر دلیلی وجود دارد که امیدوار باشیم در آینده نزدیک ، دانشمندان نحوه رشد نانولوله ها به طول سانتی متر و حتی متر را بیاموزند! البته ، این امر تا حد زیادی بر فناوری های آینده تأثیر می گذارد: از این گذشته ، "طناب" به ضخامت موی انسان ، قادر به تحمل بار صدها کیلوگرم ، خود را در برنامه های بی شماری پیدا می کند.
خواص الکتریکی غیر معمول نانولوله ها آنها را به یکی از مواد اصلی نانوالکترونیک تبدیل می کند. در حال حاضر ، نمونه های اولیه ترانزیستورهای اثر میدان بر اساس یک نانولوله ایجاد شده است: دانشمندان با اعمال ولتاژ مسدود کننده چند ولت آموخته اند که هدایت نانولوله های تک جداره را 5 مرتبه تغییر دهند!
چندین کاربرد نانولوله در صنعت کامپیوتر در حال حاضر توسعه یافته است. به عنوان مثال ، نمونه های اولیه نمایشگرهای صفحه تخت باریک که روی مجموعه ای از نانولوله ها کار می کنند ، ایجاد و آزمایش شده اند. تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده در یک انتهای نانولوله ، الکترونها از انتهای دیگر ساطع می شوند که به صفحه فسفرسانس برخورد کرده و باعث درخشندگی پیکسل می شود. دانه تصویر حاصل فوق العاده کوچک خواهد بود: به ترتیب یک میکرون!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php؟sid=44
تلاش برای عکاسی از نانولوله ها با یک دوربین فلش معمولی منجر به این شد که بلوک نانولوله در برابر نور فلاش صدای مهیبی را منتشر کرده و به شدت منفجر شود.
دانشمندان مات و مبهوت استدلال می کنند که پدیده "انفجارپذیری" لوله ها می تواند کاربردهای جدید و کاملاً غیرمنتظره ای برای این ماده پیدا کند - تا استفاده از آنها به عنوان چاشنی برای منفجر کردن کلاهک ها. و همچنین بدیهی است که استفاده از آنها در زمینه های خاص را زیر سال خواهد برد یا مشکل خواهد کرد.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
این چشم انداز برای افزایش قابل توجه عمر باتری های قابل شارژ باز می شود

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
ساختارهای نانولوله کربنی - مواد جدیدبرای لوازم الکترونیکی انتشار

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
در سال 1996 ، مشخص شد که نانولوله های کربنی می توانند خود به خود به طناب هایی از 100-500 لوله فیبر بپیچند و مقاومت این طناب ها بیشتر از الماس است. به طور دقیق ، آنها 10-12 برابر قوی تر و 6 برابر سبک تر از فولاد هستند. فقط تصور کنید: یک نخ با قطر 1 میلی متر می تواند بار 20 تن ، صدها میلیارد بار بزرگتر از وزن خود را تحمل کند! از فلان نخ می توانید کابل های سنگین با طول زیاد تهیه کنید. از همان مواد سبک و بادوام ، می توانید قاب آسانسور را نیز بسازید - یک برج غول پیکر سه برابر قطر زمین. کابین های مسافری و بار با سرعت فوق العاده ای در امتداد آن حرکت خواهند کرد - به لطف آهنرباهای ابررسانا ، که دوباره بر روی طناب های ساخته شده از نانولوله های کربنی معلق می شوند. جریان عظیم محموله به فضا امکان آغاز فعال کاوش در سایر سیارات را ممکن می سازد.
اگر کسی به این پروژه علاقه مند است ، جزئیات (به زبان روسی) را می توانید ، به عنوان مثال ، در وب سایت http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm پیدا کنید. فقط یک کلمه در مورد لوله های کربنی وجود ندارد.
و در http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt می توانید رمان آرتور کلارک "چشمه های بهشت" را بخوانید ، که خود او بهترین اثر خود می دانست.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
به گفته کارشناسان ، فناوری نانو تا سال 2007 امکان ایجاد ریزپردازنده هایی را فراهم می کند که دارای حدود 1 میلیارد ترانزیستور بوده و قادر خواهند بود در فرکانس حداکثر 20 گیگاهرتز با ولتاژ تغذیه کمتر از 1 ولت کار کنند.

ترانزیستور نانولوله
اولین ترانزیستور کاملاً ساخته شده از نانولوله های کربنی ایجاد شد. این امر چشم انداز جایگزینی تراشه های معمولی سیلیکون را با قطعات سریعتر ، ارزان تر و کوچکتر باز می کند.
اولین ترانزیستور نانولوله ای جهان یک نانولوله Y شکل است که مانند یک ترانزیستور معمولی رفتار می کند - پتانسیل اعمال شده در یکی از "پایه ها" به شما امکان می دهد عبور جریان بین دو تای دیگر را کنترل کنید. در این مورد ، مشخصه ولتاژ جریان "ترانزیستور نانولوله" تقریبا ایده آل است: جریان یا جریان دارد یا نه.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8؟OpenDocument
بر اساس مقاله ای که در 20 مه در مجله علمی Applied Physics Letters منتشر شد ، IBM در ترانزیستورهای نانولوله کربنی پیشرفت کرده است. در نتیجه آزمایش بر روی ساختارهای مولکولی مختلف ، محققان توانستند بر اساس نانولوله های کربنی به بالاترین رسانایی برای ترانزیستورها دست پیدا کنند. هرچه رسانایی بیشتر باشد ، ترانزیستور سریعتر کار می کند و مدارهای مجتمع قوی تری بر اساس آن ساخته می شوند. علاوه بر این ، محققان دریافتند که رسانایی ترانزیستورهای نانولوله کربنی بیش از دو برابر سریع ترین ترانزیستورهای سیلیکونی با همان اندازه است.

http://kv.by/index2003323401.htm
تیم الکس زتل ، پروفسور دانشگاه برکلی ، پیشرفت دیگری در فناوری نانو انجام داده است. همانطور که در مجله Nature در 24 جولای گزارش شده است ، دانشمندان اولین موتور کوچک در مقیاس نانو را بر اساس نانولوله های چند جداره ایجاد کرده اند. نانولوله کربنی به عنوان یک محور عمل می کند که روتور روی آن نصب شده است. حداکثر ابعاد نانوموتور از 500 نانومتر است ، طول روتور از 100 تا 300 نانومتر است ، اما محور نانولوله تنها چند اتم در عرض دارد ، به عنوان مثال. حدود 5-10 نانومتر

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
اخیراً شرکت Nantero مستقر در بوستون بیانیه ای در مورد توسعه کارت های حافظه از نوع جدید ایجاد کرده است که بر اساس فناوری نانو ایجاد شده است. Nantero Inc. فعالانه در حال توسعه فناوری های جدید است ، به ویژه ، توجه قابل توجهی به جستجوی راه هایی برای ایجاد حافظه دسترسی غیر فرار (RAM) بر اساس نانولوله های کربنی دارد. در سخنرانی خود ، نماینده شرکت اعلام کرد که آنها در آستانه ایجاد کارت های حافظه 10 گیگابایتی هستند. با توجه به اینکه ساختار دستگاه بر اساس نانولوله ها است ، پیشنهاد می شود حافظه جدید را NRAM (RAM غیر فرار) نامید.

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
یکی از نتایج این مطالعه استفاده عملی از خواص برجسته نانولوله ها برای اندازه گیری جرم ذرات بسیار کوچک بود. با قرار دادن ذره وزن شده در انتهای نانولوله ، فرکانس تشدید کاهش می یابد. اگر نانولوله کالیبره شده باشد (یعنی کشش آن مشخص است) ، می توان جرم ذرات را از تغییر فرکانس رزونانس تعیین کرد.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
از جمله اولین کاربردهای تجاری ، افزودن نانولوله ها به رنگ ها یا پلاستیک ها برای ارائه خواص هدایت الکتریکی به این مواد خواهد بود. این امر باعث می شود قطعات فلزی با قطعات پلیمری در برخی محصولات جایگزین شوند.
نانولوله های کربنی یک ماده گران قیمت هستند. اکنون CNI آن را به ازای هر گرم 500 دلار می فروشد. علاوه بر این ، فناوری تصفیه نانولوله های کربنی - جداکردن لوله های خوب از لوله های بد - و نحوه قرار دادن نانولوله ها در محصولات دیگر باید بهبود یابد. جاشوا وولف ، شریک مدیر شرکت سرمایه گذاری خطرپذیر Lux Capital ، می گوید که برخی از چالش ها ممکن است نیاز به کشف سطح نوبل داشته باشند.

محققان به دلیل رسانایی الکتریکی خود به نانولوله های کربنی علاقه مند شدند که بیشتر از همه رساناهای شناخته شده بود. آنها همچنین دارای هدایت حرارتی عالی هستند ، از نظر شیمیایی پایدار هستند ، دارای استحکام مکانیکی فوق العاده (1000 برابر قوی تر از فولاد) هستند و در کمال تعجب ، هنگامی که پیچ خورده یا خم می شوند ، نیمه رسانا می شوند. برای کار ، شکل حلقه به آنها داده می شود. خواص الکترونیکی نانولوله های کربنی می تواند مانند فلزات یا نیمه هادی باشد (بسته به جهت چند ضلعی های کربن نسبت به محور لوله) ، به عنوان مثال. بستگی به اندازه و شکل آنها دارد.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
نانولوله های رسانای فلزی می توانند چگالی جریان را 102-103 برابر بیشتر از فلزات معمولی تحمل کنند و نانولوله های نیمه هادی را می توان با استفاده از میدان ایجاد شده توسط الکترود به صورت الکتریکی روشن و خاموش کرد و امکان ایجاد ترانزیستورهای اثر میدان را فراهم آورد.
دانشمندان IBM روشی به نام "تخریب سازنده" را توسعه دادند که به آنها اجازه می داد تمام نانولوله های فلزی را از بین ببرند در حالی که نیمه هادی ها را دست نخورده می گذاشتند.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
نانولوله های کربنی کاربرد دیگری در مبارزه برای سلامت انسان یافته اند - این بار دانشمندان چینی از نانولوله ها برای تصفیه آب آشامیدنی از سرب استفاده کردند.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
ما به طور مرتب در مورد نانولوله های کربنی می نویسیم ، اما در واقع انواع دیگری از نانولوله ها از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده اند. دانشمندان می دانند چگونه نانولوله هایی با ضخامت ، قطر و طول دیواره دقیق مشخص کنند.
نانولوله ها می توانند به عنوان نانولوله برای انتقال مایعات مورد استفاده قرار گیرند ؛ همچنین می توانند به عنوان راهنمایی برای سرنگ هایی با تعداد کالیبره شده دقیق تعداد نانو قطرات عمل کنند. نانولوله ها را می توان به عنوان نانودرول ها ، نانولوله ها ، نکاتی برای اسکن میکروسکوپ های تونلی استفاده کرد. نانولوله ها با دیواره های ضخیم به اندازه کافی و قطرهای کوچک می توانند به عنوان تکیه گاه های حمایت کننده برای نانو اشیاء عمل کنند ، در حالی که نانولوله ها با قطر بزرگ و دیواره های نازک می توانند به عنوان نانو ظروف و نانوکپسول ها عمل کنند. نانولوله های ساخته شده از ترکیبات بر پایه سیلیکون ، از جمله کاربید سیلیکون ، به ویژه برای ساخت محصولات مکانیکی خوب هستند زیرا این مواد قوی و کشسان هستند. همچنین نانولوله های حالت جامد می توانند در لوازم الکترونیکی کاربرد پیدا کنند.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
بخش تحقیقات شرکت IBM پیشرفت مهمی را در زمینه فناوری نانو اعلام کرد. IBM Research موفق شده است نانولوله های کربنی را درخشان کند - ماده ای بسیار امیدوارکننده که زمینه ساز بسیاری از پیشرفت های فناوری نانو در سراسر جهان است.
نانولوله ساطع کننده نور تنها 1.4 نانومتر قطر دارد که 50 هزار بار نازکتر از موی انسان است. این کوچکترین دستگاه ساطع کننده نور حالت جامد در تاریخ است. ایجاد آن نتیجه برنامه ای برای مطالعه خواص الکتریکی نانولوله های کربنی است که طی چندین سال گذشته در IBM انجام شده است.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
علاوه بر موارد ذکر شده در بالا ، بسیار دور از اجرای ایجاد نانوسیم های فلزی ، توسعه به اصطلاح ساطع کننده های سرد بر روی نانولوله ها رواج دارد. ساطع کننده های سرد - عنصر کلیدیتلویزیون تخت آینده ، آنها جایگزین ساطع کننده های گرم لوله های پرتو کاتد مدرن می شوند ، علاوه بر این ، به شما امکان می دهند از ولتاژهای اورکلاک غول پیکر و ناامن 20-30 کیلو ولت خلاص شوید. در دمای اتاق ، نانولوله ها قادر به انتشار الکترون هستند و جریانی با چگالی مشابه آند تنگستن استاندارد در تقریباً هزار درجه و حتی در ولتاژ 500 ولت تولید می کنند. اشعه ایکسدهها کیلو ولت و دمای 1500 درجه (نان) مورد نیاز است)

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
مقادیر بالای مدول الاستیسیته نانولوله های کربنی امکان ایجاد مواد کامپوزیتی را فراهم می کند که استحکام بالایی را در تغییر شکل های ارتجاعی فوق العاده بالا ارائه می دهند. از چنین موادی می توان پارچه های بسیار سبک و فوق العاده قوی برای لباس برای آتش نشانان و فضانوردان تهیه کرد.
برای بسیاری از کاربردهای تکنولوژیکی ، سطح ویژه بالای مواد نانولوله جذاب است. در طول رشد ، نانولوله های مارپیچ جهت دار تصادفی شکل می گیرند ، که منجر به تشکیل تعداد قابل توجهی حفره و حفره هایی به اندازه نانومتر می شود. در نتیجه ، سطح ویژه مواد نانولوله به مقادیری در حدود 600 متر مربع در گرم می رسد. چنین سطح ویژه بالا امکان استفاده از آنها را در فیلترها و سایر دستگاه های فناوری شیمیایی باز می کند.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
یک لوله نانو کابل از زمین تا ماه می تواند روی قرقره ای به اندازه دانه خشخاش پیچیده شود.
نانولوله ها از نظر استحکام 50-100 برابر از فولاد پیشی می گیرند (اگرچه چگالی نانولوله ها شش برابر کمتر است). مدول یانگ ، مشخصه مقاومت یک ماده در برابر کشش محوری و فشرده سازی ، به طور متوسط ​​برای نانولوله ها دو برابر فیبرهای کربن است. لوله ها نه تنها قوی ، بلکه انعطاف پذیر هستند ، از نظر رفتار آنها شبیه نی های شکننده نیستند ، بلکه لوله های لاستیکی سفت هستند.
یک نخ با قطر 1 میلی متر ، متشکل از نانولوله ها ، می تواند بار 20 تن را تحمل کند ، که چند صد میلیارد برابر جرم خود است.
یک گروه بین المللی از دانشمندان نشان داده است که می توان از نانولوله ها برای ایجاد ماهیچه های مصنوعی استفاده کرد که با حجم یکسان ، سه برابر قوی تر از بیولوژیکی باشند ، از دمای بالا ، خلاء و بسیاری از مواد شیمیایی نترسند.
نانولوله ها یک ماده ایده آل برای ذخیره ایمن گازها در حفره های داخلی هستند. اول از همه ، این در مورد هیدروژن صدق می کند ، که مدت ها به عنوان سوخت خودروها مورد استفاده قرار می گرفت ، اگر سیلندرهای حجیم ، دیواره ضخیم ، سنگین و ناامن هیدروژن از هیدروژن از مزیت اصلی آن محروم نمی شد - تعداد زیادیانرژی و آزاد شده در واحد جرم (فقط حدود 3 کیلوگرم H2 برای 500 کیلومتر دویدن خودرو لازم است). پر کردن "مخزن گاز" با نانولوله ها می تواند تحت فشار ثابت باشد و سوخت را می توان با کمی گرم کردن "مخزن گاز" استخراج کرد. برای پیشی گرفتن از استوانه های گاز معمولی از نظر جرم و چگالی حجمی انرژی ذخیره شده و (جرم هیدروژن ، به جرم آن همراه با پوسته یا حجم آن به همراه پوسته) ، نانولوله ها با حفره هایی با قطر نسبتاً بزرگ - بیشتر بیش از 2-3 نانومتر مورد نیاز است.
زیست شناسان موفق به تزریق پروتئین های کوچک و مولکول های DNA به حفره نانولوله ها شده اند. این هم روشی برای بدست آوردن کاتالیزور از نوع جدید است و هم در آینده ، روشی برای تحویل بیولوژیکی است. مولکول های فعالو داروها برای اندام های خاص

معرفی

حتی 15-20 سال پیش ، بسیاری حتی به جایگزینی احتمالی سیلیکون فکر نمی کردند. تعداد کمی می توانستند حدس بزنند که در آغاز قرن بیست و یکم ، "مسابقه نانومتری" واقعی بین شرکت های نیمه هادی آغاز می شد. نزدیک شدن تدریجی با دنیای نانو باعث می شود تعجب کنید که بعد چه اتفاقی می افتد؟ آیا قانون معروف مور ادامه خواهد داشت؟ پس از همه ، با انتقال به ظریف تر استانداردهای تولیدتوسعه دهندگان با کارهای پیچیده تری روبرو هستند. بسیاری از کارشناسان عموماً بر این باورند که در یکی دو دهه آینده ، سیلیکون به مرز غیرقابل عبور فیزیکی نزدیک می شود ، در حالی که دیگر امکان ایجاد ساختارهای نازک تری از سیلیکون وجود نخواهد داشت.

بر اساس آخرین تحقیقات ، برخی از محتمل ترین (اما نه تنها) نامزدهای موقعیت "جایگزین های سیلیکون" ، مواد مبتنی بر کربن هستند - نانولوله های کربنی و گرافن - که احتمالاً می تواند مبنای نانوالکترونیک سیستم آینده. ما می خواستیم در این مقاله در مورد آنها صحبت کنیم. در عوض ، ما هنوز بیشتر در مورد نانولوله ها صحبت خواهیم کرد ، زیرا آنها زودتر بدست آمده اند و بهتر مطالعه شده اند. تا کنون ، پیشرفتهای بسیار کمتری در رابطه با گرافن وجود دارد ، اما این به هیچ وجه از مزایای آن نمی کاهد. برخی از محققان معتقدند گرافن ماده ای امیدوارکننده تر از نانولوله های کربنی است ، بنابراین امروز ما نیز چند کلمه در مورد آن خواهیم گفت. علاوه بر این ، برخی از دستاوردهای محققان که اخیراً رخ داده اند کمی خوش بینی را نشان می دهد.

در واقع ، پوشش همه دستاوردها در این مناطق فعال در حال توسعه در چارچوب یک مقاله بسیار دشوار است ، بنابراین ما فقط بر رویدادهای کلیدی ماه های اخیر تمرکز می کنیم. هدف مقاله آشنایی مختصر خوانندگان با مهمترین و جالب ترین دستاوردهای اخیر در زمینه نانوالکترونیک "کربن" و زمینه های امیدوار کننده کاربرد آن است. برای کسانی که علاقه مند هستند ، پیدا کردن اطلاعات بیشتر و مفصل تر در مورد این موضوع (به ویژه با دانش) دشوار نباشد از زبان انگلیسی).

نانولوله های کربنی

پس از افزودن یک (فولرن) دیگر به سه شکل سنتی آلوتروپیک کربن (گرافیت ، الماس و کاربین) ، طی چند سال آینده ، گزارش هایی از کشف و مطالعه ساختارهای مختلف بر اساس کربن با خواص جالب مانند نانولوله ها ، نانورینگ ، مواد فوق العاده و غیره

اول از همه ، ما به نانولوله های کربنی - ساختارهای استوانه ای دراز توخالی با قطر چند تا ده ها نانومتر (طول نانولوله های سنتی بر حسب میکرون محاسبه می شود ، علاقه مند هستیم ، اگرچه در آزمایشگاه ها در حال حاضر سازه هایی با طول ترتیب میلی متر و حتی سانتی متر). این نانوساختارها را می توان به صورت زیر نشان داد: ما به سادگی یک نوار از سطح گرافیت را برداشته و آن را به صورت استوانه در می آوریم. البته ، این فقط یک نمایش تصویری است. در حقیقت ، به طور مستقیم نمی توان صفحه گرافیتی را به دست آورد و آن را "در یک لوله" چرخاند. روشهای تولید نانولولههای کربنی یک مشکل فنی نسبتاً پیچیده و حجیم هستند و بررسی آنها خارج از حوصله این مقاله است.

نانولوله های کربنی دارای اشکال مختلف هستند. به عنوان مثال ، آنها می توانند تک جداره یا چند جداره (تک جداره یا چند جداره) ، مستقیم یا مارپیچی ، بلند و کوتاه و غیره باشند. نکته مهم این است که نانولوله ها در کشش و خمش غیرمعمول قوی هستند. تحت تأثیر تنش های مکانیکی زیاد ، نانولوله ها نمی شکنند ، نمی شکنند ، اما ساختار آنها به سادگی مرتب می شود. به هر حال ، از آنجا که ما در مورد قدرت نانولوله ها صحبت می کنیم ، جالب است که یکی از جدیدترین مطالعات در مورد ماهیت این ویژگی را ذکر کنیم.

محققان دانشگاه رایس به سرپرستی بوریس یاکوبسون دریافتند که نانولوله های کربنی مانند "ساختارهای خوددرمانی هوشمند" رفتار می کنند (این مطالعه در 16 فوریه 2007 در Physical Review Letters منتشر شد). بنابراین ، تحت فشارهای مکانیکی و تغییر شکل های ناشی از تغییرات دما یا تابش رادیواکتیو ، نانولوله ها قادرند خود را "ترمیم" کنند. به نظر می رسد که نانولوله ها علاوه بر سلول های 6 کربنی ، دارای خوشه های پنج و هفت اتمی نیز هستند. این سلولهای اتمی 5/7 رفتار غیرمعمول از خود نشان می دهند و در امتداد سطح نانولوله های کربنی مانند بخارپزها روی دریا می چرخند. هنگامی که آسیب در محل نقص رخ می دهد ، این سلول ها با توزیع مجدد انرژی در "بهبود زخم" شرکت می کنند.

علاوه بر این ، نانولوله ها خواص الکتریکی ، مغناطیسی و نوری غیرمنتظره ای از خود نشان می دهند که قبلاً مورد بررسی های متعددی قرار گرفته اند. ویژگی نانولوله های کربنی هدایت الکتریکی آنها است که از همه رساناهای شناخته شده بیشتر است. آنها همچنین دارای هدایت حرارتی عالی هستند ، از نظر شیمیایی پایدار هستند و جالبتر اینکه می توانند خواص نیمه هادی را به دست آورند. از نظر خواص الکترونیکی ، نانولوله های کربنی می توانند مانند فلزات یا نیمه رساناها رفتار کنند ، که با جهت گیری چند ضلعی های کربن نسبت به محور لوله تعیین می شود.

نانولوله ها تمایل دارند که محکم به هم بچسبند و مجموعه ای از نانولوله های فلزی و نیمه رسانا را تشکیل دهند. تا کنون ، یک کار دشوار این است که آرایه ای از نانولوله های نیمه رسانا تولید شود یا نیمه هادی ها از فلزها جدا شوند. ما با جدیدترین روشهای حل این مشکل بیشتر آشنا می شویم.

گرافن

گرافن ، در مقایسه با نانولوله های کربنی ، بسیار دیرتر به دست آمد. شاید این واقعیت را توضیح دهد که ما در مورد گرافن در اخبار بسیار کمتر از نانولوله های کربنی می شنویم ، زیرا کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است. اما این چیزی از شایستگی او کم نمی کند. به هر حال ، چند هفته پیش ، گرافن به لطف پیشرفت جدید محققان در مرکز توجه دانشگاه قرار گرفت. اما در مورد آن بعداً ، و اکنون کمی تاریخ.

در اکتبر 2004 ، بی بی سی نیوز گزارش داد که پروفسور آندره گیم و همکارانش از دانشگاه منچستر (انگلستان) به همراه گروه دکتر نووسلوف (چرنوگولوکا ، روسیه) توانستند مواد ضخیمی به اندازه یک اتم کربن به دست آورند. گرافن نامیده می شود ، یک مولکول کربن دو بعدی و مسطح به ضخامت یک اتم است. برای اولین بار در جهان ، امکان جداسازی لایه اتمی از کریستال گرافیت وجود داشت.

در همان زمان ، گیم و تیمش ترانزیستور بالستیکی موسوم به گرافن را پیشنهاد کردند. گرافن ایجاد ترانزیستور و سایر وسایل نیمه هادی با ابعاد بسیار کوچک (به ترتیب چند نانومتر) را ممکن می سازد. کاهش طول کانال ترانزیستور منجر به تغییر در خواص آن می شود. در جهان نانو ، نقش اثرات کوانتومی در حال افزایش است. الکترونها در امتداد کانال مانند یک موج دو برولی حرکت می کنند و این تعداد برخورد را کاهش می دهد و بر این اساس ، بازده انرژی ترانزیستور را افزایش می دهد.

گرافن را می توان نانولوله کربنی "باز نشده" در نظر گرفت. افزایش تحرک الکترونها آن را به یکی از امیدوارکننده ترین مواد برای نانوالکترونیک تبدیل کرده است. از آنجا که هنوز سه سال از به دست آوردن گرافن نمی گذرد ، خواص آن هنوز به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفته است. اما اولین نتایج جالب آزمایشات در حال حاضر وجود دارد.

جدیدترین پیشرفت های کربنی

از آنجا که ما برای اولین بار با نانولوله های کربنی آشنا شدیم (از نظر زمانی آنها ابتدا بدست آمدند) ، در این قسمت از مقاله نیز با آنها شروع می کنیم. احتمالاً ممکن است از محتوای زیر س aالی داشته باشید: اگر نانولوله های کربنی بسیار خوب و امیدوار کننده هستند ، چرا هنوز به تولید انبوه وارد نشده اند؟

یکی از مشکلات اصلی قبلاً در ابتدای مقاله ذکر شد. هنوز روشی برای سنتز آرایه ای متشکل از نانولوله ها با خواص ، شکل و ابعاد خاص ، که می تواند به تولید انبوه وارد شود ، ایجاد نشده است. توجه بیشتری به مرتب سازی آرایه "مخلوط" متشکل از نانولوله ها با ویژگی های نیمه رسانایی و فلزی (مرتب سازی بر اساس طول و قطر نیز مهم است) می شود. در اینجا مناسب است که یکی از اولین تحولات در این زمینه را که متعلق به IBM است یادآوری کنیم ، پس از آن به آخرین دستاوردها می پردازیم.

در مقاله آوریل 2001 ، مهندسی نانولوله های کربنی و مدارهای نانولوله با استفاده از شکست الکتریکی ، گزارش شد که محققان IBM اولین کسانی بودند که یک ترانزیستور بر اساس نانولوله های کربنی به قطر 1 نانومتر و طول میکرون ساختند. توجه بر این واقعیت متمرکز بود که آنها موفق شدند راهی برای تولید چنین تولیدی در مقیاس گسترده در آینده پیدا کنند.

دانشمندان IBM روشی را توسعه دادند که به آنها اجازه می داد تمام نانولوله های فلزی را از بین ببرند در حالی که نیمه هادی ها را دست نخورده می گذاشتند. در مرحله اول ، آرایه ای از نانولوله ها روی بستر دی اکسید سیلیکون قرار می گیرد. سپس ، الکترودهایی در بالای نانولوله ها تشکیل می شوند. بستر سیلیکون نقش الکترود پایینی را بازی می کند و به قفل شدن نانولوله های نیمه رسانا کمک می کند. سپس ولتاژ بیش از حد اعمال می شود. در نتیجه ، نانولوله های "محافظت نشده" با خواص فلزی از بین می روند و نیمه هادی ها دست نخورده باقی می مانند.

اما همه اینها فقط در کلمات است ، اما در واقع خود فرآیند بسیار پیچیده تر به نظر می رسد. گزارشاتی در مورد برنامه هایی برای به یاد آوردن توسعه در 3-4 سال (به عنوان مثال ، تا 2004/2005) گزارش شد ، اما ، همانطور که می بینیم ، هنوز گزارشی در مورد معرفی این فناوری ارائه نشده است.

اکنون بیایید به زمان حال ، یعنی پایان پاییز گذشته برویم. سپس وب سایت Technology Review یک روش جدید برای مرتب سازی نانولوله های کربنی گزارش داد که توسط محققان دانشگاه نورث وسترن توسعه داده شد. این روش علاوه بر جداسازی بر اساس خواص رسانایی ، اجازه می دهد تا نانولوله ها بر اساس قطر آنها مرتب شوند.

جالب است که هدف اصلی فقط مرتب سازی بر اساس قطر بود و توانایی مرتب سازی بر اساس هدایت الکتریکی برای خود محققان شگفت آور بود. ریچارد مارتل ، استاد شیمی در دانشگاه مونترال (مونترال ، کانادا) ، خاطرنشان کرد که روش جدید مرتب سازی را می توان پیشرفت بزرگی در این زمینه نامید.

روش مرتب سازی جدید مبتنی بر فوق سانتریفیوژ است که شامل چرخش مواد با سرعت فوق العاده تا 64 هزار دور در دقیقه است. قبل از آن ، یک سورفکتانت به آرایه نانولوله ها اعمال می شود ، که پس از فوق سانتریفیوژ ، متناسب با قطر و رسانایی الکتریکی نانولوله ها ، به طور ناهموار توزیع می شود. اندرو رینزلر ، استاد دانشگاه فلوریدا در گینزویل ، یکی از افرادی که از نزدیک با روش جدید آشنا شده بود ، گفت که روش مرتب سازی پیشنهادی آرایه ای با غلظت لوله نیمه هادی 99 or یا بیشتر را به همراه خواهد داشت.

این فناوری جدید قبلاً برای اهداف تجربی استفاده شده است. با کمک نانولوله های نیمه هادی مرتب شده ، ترانزیستورهایی با ساختار نسبتاً ساده ایجاد شده اند که می توان از آنها برای کنترل پیکسل ها در پنل های مانیتور و تلویزیون استفاده کرد.

به هر حال ، بر خلاف روش IBM ، هنگامی که نانولوله های فلزی به سادگی از بین رفتند ، محققان دانشگاه نورث وسترن می توانند از فرا سانتریفیوژ برای به دست آوردن نانولوله های فلزی استفاده کنند ، که می تواند در دستگاه های الکترونیکی نیز مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال ، می توان از آنها به عنوان الکترودهای شفاف در برخی از انواع صفحه نمایش و سلول های خورشیدی آلی استفاده کرد.

ما به مشکلات دیگری که مانع معرفی نانولوله ها می شود ، مانند مشکلات تکنولوژیکی ادغام در سریال ، نمی پردازیم. لوازم برقی، و همچنین تلفات قابل توجه انرژی در محل اتصال فلز با نانولوله ها ، که به دلیل مقاومت زیاد در تماس است. به احتمال زیاد ، افشای این موضوعات جدی برای یک خواننده معمولی جالب و بسیار دشوار به نظر می رسد ، علاوه بر این ، ممکن است چندین صفحه طول بکشد.

در مورد گرافن ، ما احتمالاً در بهار سال گذشته دستاوردهای این حوزه را در نظر خواهیم گرفت. در آوریل 2006 ، Science Express یک مطالعه اساسی در مورد خواص گرافن ، که توسط گروهی از دانشمندان انجام شد ، منتشر کرد موسسه فناوریگرجستان (موسسه فناوری گرجستان (GIT) ، ایالات متحده) و مرکز ملی تحقیق علمیفرانسه (Centre National de la Recherche Scientifique).

اولین تز مهم کار: مدارهای الکترونیکی مبتنی بر گرافن را می توان با تجهیزات سنتی مورد استفاده در صنعت نیمه هادی ها تولید کرد. پروفسور GIT والت دی هیر موفقیت این مطالعه را چنین خلاصه کرد: "ما نشان دادیم که می توانیم مواد گرافن ایجاد کنیم ، ساختارهای گرافن را" برش دهیم "و گرافن دارای خواص الکتریکی عالی است. این ماده با تحرک بالای الکترون مشخص می شود. "

بسیاری از دانشمندان و محققان خود می گویند که آنها پایه (پایه) لوازم الکترونیکی گرافن را پایه گذاری کردند. ذکر شده است که نانولوله های کربنی تنها اولین قدم به سوی دنیای نانوالکترونیک است. در آینده الکترونیک ، والت د هیر و همکارانش گرافن را مشاهده می کنند. نکته قابل توجه این است که این تحقیق توسط اینتل پشتیبانی می شود و پول را از بین نمی برد.

اکنون اجازه دهید روش تولید میکروسیستم های گرافن و گرافن را که توسط والت د هیر و همکارانش پیشنهاد شده است ، به اختصار توضیح دهیم. با گرم کردن بستر کاربید سیلیکون در خلاء زیاد ، دانشمندان اتم های سیلیکون را مجبور به ترک بستر می کنند و تنها یک لایه نازک از اتم های کربن (گرافن) باقی می ماند. در مرحله بعد ، آنها از مواد مقاوم در برابر عکس (مقاومت در برابر عکس) استفاده می کنند و از لیتوگرافی پرتو الکترونی سنتی برای حکاکی "الگوهای" مورد نیاز استفاده می کنند ، یعنی از فناوری های تولیدی که امروزه به طور گسترده استفاده می شود ، استفاده می کنند. این مزیت اساسی گرافن نسبت به نانولوله ها است.

در نتیجه ، دانشمندان توانستند نانوساختارهای 80 نانومتری را حک کنند. به این ترتیب ، یک ترانزیستور اثر میدان گرافن ایجاد شد. یک اشکال جدی را می توان جریانهای نشتی بزرگ دستگاه ایجاد شده نامید ، اگرچه دانشمندان در آن زمان حداقل این موضوع را ناراحت نکردند. آنها معتقد بودند که در مرحله اولیه این کاملا طبیعی است. علاوه بر این ، یک دستگاه تداخل کوانتومی کاملاً کاربردی ایجاد شد که می تواند برای کنترل امواج الکترون استفاده شود.

از بهار سال گذشته ، هیچ دستاورد برجسته ای مانند توسعه آوریل به دست نیامده است. حداقل آنها در صفحات سایت های اینترنتی ظاهر نمی شوند. اما این ماه فوریه چندین رویداد را به طور همزمان رقم زد و بار دیگر ما را به فکر "چشم اندازهای گرافن" انداخت.

در ابتدای ماه گذشته ، AMO (گروه نانوالکترونیک AMO) توسعه خود را در چارچوب پروژه ALEGRA ارائه کرد. مهندسان AMO موفق به ایجاد یک ترانزیستور با درب بالا شده اند که از نظر ساختاری آنها را شبیه ترانزیستورهای مدرن میدان اثر سیلیکونی (MOSFET) می کند. جالب اینجاست که ترانزیستور گرافن با استفاده از فناوری تولید سنتی CMOS ایجاد شده است.

برخلاف MOSFETs (MOSFETs - Metal Oxide Semiconductor) ، ترانزیستورهای گرافن ایجاد شده توسط مهندسان AMO با تحرک الکترون بیشتر و سرعت سوئیچینگ مشخص می شوند. متأسفانه ، جزئیات توسعه در حال حاضر فاش نشده است. اولین جزئیات در آوریل سال جاری در مجله IEEE Electron Device Letters منتشر می شود.

اکنون ما به یک پیشرفت جدید "ترانزیستور گرافن" می پردازیم که به عنوان یک دستگاه نیمه هادی تک الکترون عمل می کند. جالب است که سازندگان این دستگاه قبلاً برای ما پروفسور گیم ، دانشمند روسی کنستانتین نووسلوف و دیگران شناخته شده اند.

این ترانزیستور دارای مناطقی است که در آن بار الکتریکی کوانتیزه می شود. در این مورد ، اثر محاصره کولن مشاهده می شود (در طول انتقال الکترون ، ولتاژی ظاهر می شود که از حرکت ذرات زیر جلوگیری می کند ، با بار خود یاران خود را دفع می کند. این پدیده محاصره کولن نامیده شد. به دلیل محاصره ، الکترون بعدی تنها زمانی عبور می کند که قبلی از انتقال فاصله می گیرد. ذرات فقط در فواصل معین قادر به "پرش" خواهند بود). در نتیجه ، تنها یک الکترون می تواند از کانال یک ترانزیستور عبور کند که عرض آن تنها چند نانومتر است. یعنی کنترل دستگاه های نیمه هادی تنها با یک الکترون امکان پذیر می شود.

توانایی کنترل الکترون های فردی ، امکانات جدیدی را برای سازندگان مدارهای الکترونیکی باز می کند. در نتیجه ، ولتاژ دروازه می تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد. دستگاه های مبتنی بر ترانزیستورهای گرافن تک الکترون با حساسیت بالا و عملکرد عالی سرعت متمایز می شوند. البته ابعاد نیز به ترتیب بزرگی کاهش می یابد. مهمتر اینکه ، یک مشکل جدی ، مشخصه نمونه اولیه ترانزیستور گرافن Walt de Hira ، برطرف شده است - جریانهای نشت زیاد.

می خواهم توجه داشته باشم که دستگاه های تک الکترونیکی قبلاً با استفاده از سیلیکون سنتی ایجاد شده اند. اما مشکل این است که اکثر آنها فقط می توانند در دمای بسیار پایین کار کنند (اگرچه نمونه هایی در دمای اتاق کار می کنند ، اما بسیار بزرگتر از ترانزیستورهای گرافن هستند). فرزند گیم و همکارانش می توانند با خیال راحت در دمای اتاق کار کنند.

چشم اندازهای استفاده از نانومواد کربنی

به احتمال زیاد ، این بخش از مقاله برای خوانندگان جالب ترین خواهد بود. به هر حال ، نظریه یک چیز است و تجسم دستاوردهای علمی در دستگاه های واقعی مفید برای انسان ، حتی نمونه های اولیه ، باید مصرف کننده را مورد توجه قرار دهد. به طور کلی ، زمینه احتمالی کاربرد نانولوله های کربنی و گرافن بسیار متنوع است ، اما ما در درجه اول به دنیای الکترونیک علاقه داریم. من می خواهم بلافاصله توجه داشته باشم که گرافن یک ماده کربنی "جوانتر" است و هنوز در ابتدای مسیر تحقیقاتی خود قرار دارد ، بنابراین ، در این بخش از مقاله ، توجه اصلی به دستگاه ها و فناوری های مبتنی بر کربن خواهد بود. نانولوله ها

نمایش می دهد

استفاده از نانولوله های کربنی در نمایشگرها ارتباط تنگاتنگی با فناوری FED (Field Emission Display) دارد که توسط شرکت فرانسوی LETI توسعه یافته و اولین بار در سال 1991 معرفی شد. بر خلاف CRT ها ، که تا سه کاتد به اصطلاح "داغ" مورد استفاده قرار می گیرد ، نمایشگرهای FED در ابتدا از آرایه ای از تعداد زیادی کاتد "سرد" استفاده می کردند. همانطور که معلوم شد ، نرخ زیاد ضایعات FED ها را غیرقابل رقابت می کند. علاوه بر این ، در 1997-1998 ، تمایل به کاهش قابل توجهی در هزینه صفحات کریستال مایع وجود داشت ، که ، همانطور که در آن زمان به نظر می رسید ، هیچ فرصتی برای فناوری FED باقی نگذاشت.

ایده جدید شرکت LETI در اواخر قرن گذشته ، هنگامی که اولین مطالعات روی صفحه نمایش FED ظاهر شد ، "باد دوم" را دریافت کرد ، که در آن پیشنهاد شد از آرایه های نانولوله های کربنی به عنوان کاتد استفاده شود. تعدادی از تولید کنندگان بزرگ به نمایشگرهای مبتنی بر نانولوله های کربنی علاقه نشان داده اند ، از جمله شرکت های معروف مانند سامسونگ ، موتورولا ، فوجیتسو ، کانن ، توشیبا ، فیلیپس ، ال جی ، هیتاچی ، پایونیر و دیگران. در تصویر ، یکی از گزینه های اجرای نمایشگرهای FED روی نانولوله های کربنی SDNT (نانولوله های کربنی با قطر کوچک) را مشاهده می کنید.

ذکر شده است که نمایشگرهای FED روی نانولوله های کربنی می توانند با پانل های مدرن با مورب بزرگ رقابت کنند و در آینده عمدتا با پانل های پلاسما به طور جدی رقابت خواهند کرد (آنها در حال حاضر بر بخش با موربهای فوق العاده بزرگ تسلط دارند). مهمتر از همه ، نانولوله های کربنی هزینه تولید نمایشگرهای FED را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

از آخرین اخبار دنیای نمایشگرهای FED نانولوله ، شایان ذکر است که اطلاعیه اخیر موتورولا مبنی بر اینکه پیشرفتهای آن تقریباً آماده ترک دیوار آزمایشگاههای تحقیقاتی و ورود به مرحله تولید انبوه است. جالب اینجاست که موتورولا هیچ برنامه ای برای ساخت کارخانه های خود برای تولید نمایشگرهای نانولوله ندارد و در حال حاضر در حال مذاکره برای صدور مجوز با چندین تولید کننده است. رئیس تحقیق و توسعه موتورولا ، جیمز جاسکی ، خاطرنشان کرد که دو شرکت آسیایی در حال حاضر کارخانه هایی برای تولید نمایشگرهای مبتنی بر نانولوله های کربنی می سازند. بنابراین نمایشگرهای نانولوله آینده چندانی ندارند و وقت آن است که آنها را جدی بگیریم.

یکی از چالش های دشواری که مهندسان موتورولا با آن روبرو بودند ، ایجاد روش دمای پایین برای تولید نانولوله های کربنی بر روی یک بستر (به منظور ذوب نشدن بستر شیشه ای) بود. و این مانع تکنولوژیکی قبلاً برطرف شده است. این گزارش همچنین از تکمیل موفقیت آمیز توسعه روشهای مرتب سازی نانولوله ها خبر داد که برای بسیاری از شرکتهای فعال در صنعت به "مانع غیرقابل حل" تبدیل شده است.

استیو یوریچیچ ، کارگردان DiplaySearch معتقد است که هنوز برای خوشحال شدن در موتورولا زود است. پس از همه ، هنوز فتح بازار پیش رو است ، جایی که مکان "زیر نور خورشید" قبلاً توسط تولید کنندگان کریستال مایع و صفحات پلاسما گرفته شده است. دیگر فناوری های امیدوار کننده مانند OLED (نمایشگرهای دیودی ساطع کننده نور ارگانیک) ، QD-LED (LED های کوانتومی ، نوعی نمایشگرهای LED با استفاده از نقاط به اصطلاح کوانتومی ، که توسط شرکت آمریکایی QD Vision توسعه یافته است) را فراموش نکنید. به علاوه بر این ، در آینده ، سامسونگ الکترونیکس و یک پروژه مشترک برای معرفی نمایشگرهای نانولوله توسط Canon و Toshiba ممکن است رقابت سختی برای موتورولا ایجاد کنند (به هر حال ، آنها قصد دارند اولین نمایشگرهای نانولوله را تا پایان امسال شروع کنند) به

نانولوله های کربنی نه تنها در نمایشگرهای FED کاربردهایی پیدا کرده اند. محققان در آزمایشگاه Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (کبک ، کانادا) پیشنهاد کرده اند که از مواد مبتنی بر نانولوله های کربنی تک جداره به عنوان الکترود برای نمایشگرهای OLED استفاده شود. به گفته وب سایت دنیای فناوری نانو ، فناوری جدید امکان ایجاد کاغذ الکترونیکی بسیار نازک را فراهم می آورد. به دلیل استحکام بالای نانولوله ها و آرایه الکترود بسیار نازک ، نمایشگرهای OLED می توانند بسیار انعطاف پذیر بوده و همچنین از شفافیت بالایی برخوردار باشند.

حافظه

قبل از شروع داستان در مورد جالب ترین تحولات "کربن" در زمینه حافظه ، می خواهم توجه داشته باشم که تحقیقات در مورد فن آوری های ذخیره اطلاعات به طور کلی یکی از فعال ترین زمینه های در حال توسعه است. نمایشگاه های اخیر Consumer Electronic Show (لاس وگاس) و CeBIT هانوفر نشان داد که علاقه به درایوهای مختلف و سیستم های ذخیره سازی اطلاعات با گذشت زمان کاهش نمی یابد ، بلکه فقط افزایش می یابد. و این تعجب آور نیست. فقط فکر کنید: بر اساس سازمان تحلیلی IDC ، در سال 2006 حدود 161 میلیارد گیگابایت اطلاعات (161 اگزابایت) تولید شده است که ده ها برابر بیشتر از سالهای گذشته است!

در سال 2006 ، تنها چیزی که باقی ماند این بود که از ایده های مبتکرانه دانشمندان شگفت زده شوید. ما چیزهای زیادی دیده ایم: حافظه بر اساس نانوذرات طلا ، و حافظه بر اساس ابررساناها ، و حتی حافظه ... بر روی ویروس ها و باکتری ها! به تازگی ، اخبار بیشتر و بیشتر از فن آوری های حافظه غیر فرار مانند MRAM ، FRAM ، PRAM و دیگران یاد می کنند که دیگر فقط نمایشگاه "کاغذی" یا نمونه های اولیه نمایشی نیستند ، بلکه دستگاه های کاملاً کارآمدی هستند. بنابراین فناوری های حافظه مبتنی بر نانولوله های کربنی تنها بخش کوچکی از تحقیقات ذخیره اطلاعات هستند.

شاید ، ما داستان خود را در مورد حافظه "نانولوله" با پیشرفت های شرکت Nantero آغاز کنیم ، که قبلاً در زمینه خود کاملاً مشهور شده است. همه چیز در سال 2001 آغاز شد ، زمانی که سرمایه گذاری های بزرگی برای شرکت جوان انجام شد ، که باعث شد بتوانیم توسعه فعال نوع جدیدی از حافظه های غیر فرار NRAM را بر اساس نانولوله های کربنی آغاز کنیم. ما در سال گذشته شاهد تحولات عمده نانترو بودیم. در آوریل 2006 ، این شرکت از ایجاد یک سوئیچ حافظه NRAM ، با استانداردهای 22 نانومتر خبر داد. علاوه بر پیشرفتهای اختصاصی Nantero ، فناوریهای تولیدی موجود در ایجاد دستگاه جدید دخیل بودند. در ماه مه همان سال ، فناوری آن برای ایجاد دستگاه های مبتنی بر نانولوله های کربنی با موفقیت در تولید CMOS بر روی تجهیزات شرکت LSI Logic Corporation (در کارخانه نیمه هادی ON) ادغام شد.

در پایان سال 2006 ، وجود داشت رویداد مهم... نانترو اعلام کرد که با استفاده از تجهیزات سنتی بر همه موانع مهم فناوری در تولید انبوه تراشه های نانولوله کربنی غلبه کرده است. روشی برای رسوب نانولوله ها روی بستر سیلیکون با استفاده از روش مشهوری مانند پوشش اسپین ایجاد شده است ، پس از آن لیتوگرافی و اچینگ ، سنتی برای تولید نیمه هادی ها اعمال می شود. یکی از مزایای حافظه NRAM سرعت بالای خواندن / نوشتن است.

با این حال ، ما در ظرافت های تکنولوژیکی وارد نمی شویم. من فقط توجه می کنم که چنین دستاوردهایی به نانترو هر دلیلی می دهد تا بر موفقیت حساب کند. اگر مهندسان شرکت بتوانند توسعه را به نتیجه منطقی خود برسانند و تولید تراشه های NRAM چندان گران نباشد (و امکان استفاده از تجهیزات موجود به ما این حق را می دهد که امیدوار باشیم) ، آنگاه شاهد ظهور یک مورد جدید وحشتناک خواهیم بود. سلاح در بازار حافظه ، که می تواند به طور جدی انواع موجود حافظه را فشار دهد. از جمله SRAM ، DRAM ، NAND ، NOR و غیره

همانند بسیاری از زمینه های دیگر علم و فناوری ، تحقیق در مورد حافظه روی نانولوله های کربنی نه تنها توسط شرکت های تجاری مانند نانترو ، بلکه توسط آزمایشگاه های موسسات آموزشی برجسته جهان نیز انجام می شود. در میان آثار جالب اختصاص داده شده به حافظه "کربن" ، می خواهم به پیشرفت کارکنان دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ اشاره کنم که در آوریل سال گذشته در صفحات نسخه آنلاین Applied Physics Letters منتشر شد.

بر خلاف بسیاری از طرح های مشابه که فقط در دمای بسیار پایین کار می کنند ، دستگاه ایجاد شده توسط فیزیکدانان Jiyan Dai و X. B. Lu می تواند در دمای اتاق کار کند. حافظه غیر فرار ایجاد شده توسط محققان هنگ کنگی به سرعت NRAM نانترو نیست ، بنابراین احتمال تغییر DRAM از تخت پادشاهی ناموفق است. اما به عنوان یک جایگزین بالقوه برای فلش مموری سنتی ، می توان آن را در نظر گرفت.

برای درک کلی از نحوه عملکرد این حافظه ، فقط به تصویر (ب) زیر نگاه کنید. نانولوله های کربنی (CNT) به عنوان لایه ای برای ذخیره (ذخیره) بار عمل می کنند. به نظر می رسد آنها بین دو لایه HfAlO (متشکل از هافنیوم ، آلومینیوم و اکسیژن) ، که نقش یک دروازه کنترل و یک لایه اکسید دارند ، قرار گرفته اند. کل این ساختار بر روی یک لایه سیلیکونی قرار می گیرد.

یک راه حل نسبتاً اصلی توسط دانشمندان کره ای Jeong Won Kang و Qing Jiang پیشنهاد شد. آنها موفق شدند حافظه ای را بر اساس نانولوله های تلسکوپی توسعه دهند. اصل پشت توسعه جدید در سال 2002 کشف شد و در اثر "نانولوله های کربنی چند جداره به عنوان نوسانگرهای گیگاهرتز" توضیح داده شد. نویسندگان آن موفق شدند ثابت کنند که یک نانولوله با نانولوله دیگری با قطر کوچکتر که در آن تعبیه شده است ، یک نوسان ساز را تشکیل می دهد که به فرکانس نوسان به ترتیب گیگاهرتز می رسد.

سرعت بالای لغزش نانولوله های تعبیه شده در نانولوله های دیگر ، سرعت نوع جدیدی از حافظه را تعیین می کند. یونگ وون کانگ و کین یان معتقدند که توسعه آنها نه تنها به عنوان حافظه فلش ، بلکه به عنوان RAM با سرعت بالا نیز قابل استفاده است. اصل حافظه به راحتی از شکل قابل درک است.

همانطور که می بینید ، یک جفت نانولوله تو در تو بین دو الکترود قرار می گیرد. هنگامی که یک بار به یکی از الکترودها وارد می شود ، نانولوله داخلی تحت تأثیر نیروهای ون در والس به یک جهت حرکت می کند. این پیشرفت دارای یک اشکال قابل توجه است: نمونه ای از چنین حافظه ای فقط در دمای بسیار پایین می تواند کار کند. با این حال ، دانشمندان اطمینان دارند که این مشکلات موقتی هستند و می توان در مراحل بعدی تحقیق بر آنها غلبه کرد.

به طور طبیعی ، بسیاری از پیشرفت ها مرده به دنیا می آیند. از این گذشته ، نمونه اولیه ای که در محیط آزمایشگاه کار می کند یک چیز است و در راه تجاری سازی فناوری همیشه مشکلات زیادی وجود دارد و نه تنها کاملاً فنی ، بلکه مواد نیز وجود دارد. در هر صورت ، آثار موجود نوعی خوش بینی را القا می کند و کاملاً آموزنده است.

پردازنده ها

حالا بیایید در مورد آینده کربن پردازنده ها رویاپردازی کنیم. غول های صنعت پردازنده به طور جدی به دنبال راه های جدیدی برای تمدید قانون گوردون مور هستند و هر سال این کار برای آنها دشوارتر می شود. کاهش اندازه عناصر نیمه هادی و تراکم زیاد قرار دادن آنها بر روی یک تراشه در هر زمان ، کار بسیار دشواری را در جهت کاهش جریانات نشت ایجاد می کند. جهت اصلی حل چنین مشکلاتی ، جستجوی مواد جدید برای استفاده در دستگاه های نیمه هادی و تغییرات در ساختار آنها است.

همانطور که احتمالاً می دانید ، IBM و Intel اخیراً تقریباً همزمان از استفاده از مواد جدید برای ایجاد ترانزیستور برای نسل بعدی پردازنده ها خبر داده اند. به عنوان دی الکتریک دروازه به جای دی اکسید سیلیکون ، موادی با ثابت دی الکتریک بالا (k-high) بر اساس هافنیوم پیشنهاد شده است. هنگامی که الکترود دروازه ایجاد می شود ، سیلیکون توسط آلیاژهای فلزی جابجا می شود.

همانطور که می بینید ، حتی امروزه سیلیکون و مواد مبتنی بر آن جایگزین تدریجی با ترکیبات امیدوار کننده تر شده است. مدتهاست که بسیاری از شرکتها به فکر جایگزینی سیلیکون هستند. یکی از بزرگترین حامیان مالی پروژه های تحقیقاتیدر زمینه نانولوله های کربنی و گرافن IBM و Intel هستند.

در اواخر مارس سال گذشته ، تیمی از محققان IBM و دو دانشگاه فلوریدا و نیویورک از ایجاد اولین مدار مجتمع الکترونیکی کامل بر اساس تنها یک نانولوله کربنی خبر دادند. این الگو پنج برابر ضخامت موی انسان است و تنها از طریق یک میکروسکوپ الکترونی قوی قابل مشاهده است.

محققان IBM توانسته اند به سرعتهای نزدیک به یک میلیون برابر سریعتر از آنچه قبلاً با مدارهای چند نانولوله بدست آمده بودند دست یابند. اگرچه این سرعتها هنوز پایین تر از سرعتهایی است که تراشه های سیلیکونی در آن کار می کنند ، اما دانشمندان IBM اطمینان دارند که فرآیندهای جدید فناوری نانو در نهایت پتانسیل عظیمی از تجهیزات الکترونیکی نانولوله های کربنی را باز می کند.

همانطور که پروفسور یورگ اپنزللر خاطرنشان کرد ، مولد حلقه مبتنی بر نانولوله که توسط محققان ایجاد شده است یک درمان عالیبرای مطالعه ویژگی های عناصر الکترونیکی کربنی نوسان ساز حلقه - مدار مورد استفاده سازندگان تراشه برای آزمایش قابلیت های فرآیندهای جدید تولیدی یا مواد. این نمودار به پیش بینی نحوه رفتار فناوری های جدید در محصولات نهایی کمک می کند.

اینتل تحقیقات خود را در مورد استفاده احتمالی نانولوله های کربنی در پردازنده ها به مدت طولانی انجام می دهد. به یاد داشته باشید که اینتل نسبت به نانولوله ها بی تفاوت نیست ، سمپوزیوم اخیر انجمن خلاء آمریکا را ایجاد کرد ، که آخرین دستاوردهای شرکت را در این زمینه به طور فعال مورد بحث قرار داد.

به هر حال ، یک نمونه اولیه از تراشه قبلاً توسعه یافته است ، جایی که از نانولوله های کربنی به عنوان اتصالات داخلی استفاده می شود. معروف. انتقال به استانداردهای دقیق تر مستلزم افزایش مقاومت الکتریکی هادی های اتصال دهنده است. در اواخر دهه 1990 ، تولیدکنندگان تراشه به استفاده از رساناهای مسی به جای هادی های آلومینیومی روی آوردند. اما در سال های اخیر ، حتی مس رضایت تولیدکنندگان پردازنده را متوقف کرده و به تدریج آنها در حال آماده سازی جایگزینی برای آن هستند.

یکی از زمینه های امیدوار کننده استفاده از نانولوله های کربنی است. به هر حال ، همانطور که در ابتدای مقاله اشاره کردیم ، نانولوله های کربنی نه تنها رسانایی بهتری نسبت به فلزات دارند ، بلکه می توانند نقش نیمه هادی ها را نیز ایفا کنند. بنابراین ، در آینده امکان جایگزینی کامل سیلیکون در پردازنده ها و سایر میکرو مدارها و ایجاد تراشه هایی که کاملاً از نانولوله های کربنی ساخته شده اند ، واقعی تلقی می شود.

از سوی دیگر ، برای "دفن" سیلیکون زود است. اول ، بعید است که در دهه آینده جایگزینی کامل سیلیکون با نانولوله های کربنی در ریز مدارها اتفاق بیفتد. و این توسط خود نویسندگان پیشرفتهای موفق ذکر شده است. ثانیاً ، سیلیکون نیز چشم اندازهایی دارد. سیلیکون علاوه بر نانولوله های کربنی ، فرصتی برای تأمین آینده ای در نانوالکترونیک دارد - به شکل نانوسیم های سیلیکونی ، نانولوله ها ، نانولوله ها و سایر ساختارها ، که در بسیاری از آزمایشگاه های تحقیقاتی نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند.

حرف بعد

در پایان ، مایلم اضافه کنم که این مقاله تنها بخش بسیار کوچکی از آنچه در حال حاضر در زمینه نانوالکترونیک کربن اتفاق می افتد را پوشش داده است. ذهن های روشن به اختراع فناوری های پیچیده ادامه می دهند ، که شاید برخی از آنها پایه و اساس لوازم الکترونیکی آینده شوند. برخی بر این باورند که نانوروبات ها ، نمایشگرهای شفاف ، تلویزیون هایی که می توان آنها را در یک لوله نازک بچرخانند و سایر دستگاه های شگفت انگیز تخیلی هستند و فقط در آینده ای دور به واقعیت تبدیل می شوند. اما تعدادی از مطالعات حیرت انگیز در حال حاضر امروزه باعث می شود فرد فکر کند که همه اینها دورنمای چندان دور و درازی نیست.

علاوه بر این ، علاوه بر نانولوله های کربنی و گرافن مورد بحث در این مقاله ، کشفیات شگفت انگیزی در الکترونیک مولکولی در حال انجام است. تحقیقات جالبی در زمینه ارتباط بین جهان بیولوژیکی و سیلیکون در حال انجام است. چشم اندازهای زیادی برای توسعه صنعت کامپیوتر وجود دارد. و احتمالاً هیچ کس متعهد نمی شود پیش بینی کند که در 10-15 سال آینده چه اتفاقی می افتد. یک چیز واضح است: بسیاری از کشفیات هیجان انگیزتر و دستگاه های شگفت انگیز در پیش روی ما هستند.

منابع اطلاعاتی که هنگام نگارش مقاله استفاده می شود

• [ایمیل محافظت شده] ()
• PhysOrg.com ()))
• تحقیقات IBM ()
• K. S. Novoselov ، A. K. Geim ، S. V. Morozov ، D. Jiang ، Y. Zhang ، S. V. Dubonos ، I. V. Grigorieva ، A. A. Firsov. "تأثیر میدان الکتریکی در فیلمهای کربنی نازک اتمی"
• K. S. Novoselov ، D. Jiang ، F. Schedin ، V. V. Khotkevich ، S. V. Morozov و A.K. Geim "بلورهای اتمی دو بعدی"
• کوانشویی ژنگ ، چینگ جیانگ. "نانولوله های کربنی چند جداره به عنوان نوسان ساز گیگاهرتز"

دانشکده فیزیک

گروه فیزیک نیمه هادی و اپتوالکترونیک

S. M. Plankina

"نانولوله های کربنی"

شرح کار آزمایشگاهی دوره

"مواد و روش های فناوری نانو"

نیژنی نووگورود 2006

هدف از این کار: آشنایی با خواص ، ساختار و فناوری بدست آوردن نانولوله های کربنی و مطالعه ساختار آنها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری.

1. معرفی

تا سال 1985 ، در مورد کربن مشخص بود که می تواند در طبیعت در دو حالت آلوتروپیک وجود داشته باشد: شکل سه بعدی (ساختار الماس) و لایه دو بعدی (ساختار گرافیت). در گرافیت ، هر لایه از یک شبکه شش ضلعی با فاصله بین نزدیکترین همسایگان d c - c = 0.142 نانومتر تشکیل شده است. لایه ها در دنباله ABAB ... قرار دارند (شکل 1) ، جایی که اتم ها مستقیماً بالای اتم ها در سطوح مجاور قرار دارند و اتم های II در بالای مراکز شش ضلعی در مناطق مجاور قرار دارند. ساختار کریستالوگرافی حاصله در شکل 1a نشان داده شده است ، جایی که a 1 و a 2 بردار واحد در صفحه گرافیت هستند ، c واحد بردار عمود بر صفحه شش ضلعی است. فاصله بین هواپیماها در شبکه 0.337 نانومتر است.

برنج. 1. (الف) ساختار بلور گرافیت. شبکه با بردارهای واحد a 1 ، a 2 و c تعیین می شود. (ب) منطقه مربوط به بریلوین.

با توجه به این که فاصله بین لایه ها بیشتر از فاصله شش ضلعی است ، گرافیت را می توان به عنوان یک ماده دو بعدی تخمین زد. محاسبه ساختار نوار ، انحطاط باند را در نقطه K در منطقه بریلوین نشان می دهد (شکل 1 ب را ببینید). این امر از اهمیت خاصی برخوردار است ، زیرا سطح فرمی از این نقطه انحطاط عبور می کند ، که این ماده را به عنوان یک نیمه رسانا با شکاف انرژی ناپدید کننده در T -0 مشخص می کند. اگر محاسبات فعل و انفعالات بین پلان را در نظر بگیرند ، در ساختار باند به دلیل همپوشانی نوارهای انرژی ، از یک نیمه هادی به یک نیمه فلز انتقال می یابد.

در سال 1985 ، هارولد کروتو و ریچارد اسمال فولرن ها را کشف کردند - شکل 0D ، متشکل از 60 اتم کربن. این کشف در سال 1996 اهدا شد. جایزه نوبلدر شیمی در سال 1991 ، ایجیما شکل جدیدی از کربن به شکل 1 بعدی را کشف کرد که تشکیل لوله های کربنی لوله ای به نام "نانولوله ها" می دهد. توسعه فناوری توسط کرتچمر و هافمن برای آماده سازی آنها در مقادیر ماکروسکوپی پایه و اساس مطالعات سیستماتیک ساختارهای کربنی را ایجاد کرد. عنصر اصلی چنین ساختارهایی یک لایه گرافیت است- سطحی که با پنج و شش ضلعی معمولی و هفت ضلعی (پنج ضلعی ، شش ضلعی و هفت ضلعی) با اتم های کربن در رأس ها قرار گرفته اند. در مورد فولرن ها ، چنین سطحی دارای شکل کروی یا کروی بسته است (شکل 2) ، هر اتم به 3 همسایه متصل شده و پیوند sp 2 است. متداول ترین مولکول فولرن C 60 شامل 20 شش ضلعی و 12 پنج ضلعی است. ابعاد عرضی آن 0.714 نانومتر است. تحت شرایط خاصی ، مولکولهای C 60 را می توان مرتب کرد و یک بلور مولکولی تشکیل داد. در شرایط خاص در دمای اتاق ، می توان مولکولهای C 60 را سفارش داد و کریستالهای مولکولی با رنگ قرمز مایل به قرمز با شبکه مکعبی صورت محور تشکیل داد که پارامتر آنها 1.41 نانومتر است.

شکل 2 مولکول C 60.

2. ساختار نانولوله های کربنی

2.1 زاویه کایرال و قطر نانولوله

نانولوله های کربنی ساختارهای گسترده ای هستند که از لایه های گرافیتی به صورت لوله ای تک لایه (SWNT) یا چند لایه (MWNT) نورد شده اند. کوچکترین قطر نانولوله 0.714 نانومتر است که قطر مولکول فولرن C60 است. فاصله بین لایه ها تقریبا همیشه 0.34 نانومتر است که با فاصله بین لایه ها در گرافیت مطابقت دارد. طول چنین سازندهایی به ده ها میکرون می رسد و از قطر آنها چندین مرتبه بیشتر می شود (شکل 3). نانولوله ها می توانند باز یا به نیمکره هایی شبیه نیم مولکول فولرن ختم شوند.

خواص یک نانولوله با زاویه جهت صفحه گرافیت نسبت به محور لوله تعیین می شود. شکل 3 دو ساختار نانولوله ای بسیار متقارن را نشان می دهد: زیگزاگ و صندلی. با این حال ، در عمل ، اکثر نانولوله ها چنین اشکال بسیار متقارنی ندارند ، به عنوان مثال. در آنها ، شش ضلعی ها به صورت مارپیچ در اطراف محور لوله پیچ خورده اند. به این ساختارها کایرال می گویند.

شکل 3 مدل های ایده آل از نانولوله های تک جداره با (الف) زیگزاگ و (ب) جهت صندلی.

برنج. 4. نانولوله های کربنی با چرخاندن صفحات گرافیتی به صورت استوانه ، نقطه A را با A متصل می کنند. زاویه کایرال به عنوان q - (a) تعریف شده است. لوله ای از نوع "صندلی" ، با h = (4.4) - (b گام P بستگی به زاویه q - (c) دارد.

تعداد محدودی طرح وجود دارد که می توان از آنها برای ساخت نانولوله از لایه گرافیت استفاده کرد. نقاط A و A را در شکل 4a در نظر بگیرید. بردار متصل کننده A و A به صورت c h = na 1 + ma 2 تعریف شده است ، جایی که n ، m اعداد واقعی ، a 1 و 2 بردار واحد در صفحه گرافیت هستند. لوله از بالا آمدن لایه گرافیت و اتصال نقاط A و A تشکیل می شود. "سپس توسط بردار c h منحصراً تعیین می شود. شکل 5 طرح نمایه سازی بردار شبکه c h را نشان می دهد.

شاخص های کایرال بودن یک لوله تک لایه به طور منحصر به فرد قطر آن را تعیین می کند:

ثابت شبکه کجاست رابطه بین شاخص ها و زاویه کایرالیتی با نسبت داده می شود:

شکل 5 طرح نمایه سازی برای بردار شبکه c h.

نانولوله های زیگزاگ با زاویه تعریف می شوند س =0° ، که مربوط به بردار (n ، m) = (n ، 0) است. در آنها ، پیوندهای C-C موازی محور لوله هستند (شکل 3 ، الف).

ساختار صندلی با زاویه مشخص می شود س = ± 30 درجهمربوط به بردار (n ، m) = (2n ، -n) یا (n ، n). این گروه از لوله ها دارای پیوندهای C-C عمود بر محور لوله هستند (شکل 3b و 4b). بقیه ترکیبات لوله های کایرال شکل با زاویه 0 درجه تشکیل می دهند<<س <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла س .

2.2 ساختار نانولوله های چند لایه

نانولوله های چند لایه با نانولوله های تک جداره در تنوع بسیار بیشتری از اشکال و پیکربندی متفاوت هستند. تنوع ساختارها در دو جهت طولی و عرضی آشکار می شود. انواع احتمالی ساختار عرضی نانولوله های چند لایه در شکل نشان داده شده است. 6 ساختار نوع "عروسک تودرتو روسی" (شکل 6a) مجموعه ای از نانولوله های استوانه ای تک جداره است که به صورت هم محور در یکدیگر قرار گرفته اند. تنوع دیگر این ساختار ، در شکل نشان داده شده است. 6b مجموعه ای از منشورهای هم محور است که در یکدیگر قرار گرفته اند. در نهایت ، آخرین این ساختارها (شکل 6 ج) شبیه یک طومار است. تمام ساختارهای فوق با مقدار فاصله بین لایه های گرافیت مجاور ، نزدیک به مقدار 0.34 نانومتر ، مشخصه فاصله بین صفحات مجاور گرافیت کریستالی است. اجرای یک ساختار خاص در یک موقعیت آزمایشی خاص به شرایط سنتز نانولوله ها بستگی دارد.

مطالعات روی نانولوله های چند لایه نشان داده است که فاصله بین لایه ها می تواند از مقدار استاندارد 0.34 نانومتر تا دو برابر مقدار 0.68 نانومتر متغیر باشد. این نشان دهنده وجود نقص در نانولوله ها است ، هنگامی که یکی از لایه ها تا حدی وجود ندارد.

بخش قابل توجهی از نانولوله های چند لایه می توانند مقطع چند ضلعی داشته باشند ، به طوری که مناطق یک سطح صاف در مجاورت ناحیه هایی با سطح خمیدگی بالا قرار دارند که دارای لبه هایی با درجه بالایی از کربن sp -3 هیبرید شده است. این لبه ها سطوح متشکل از کربن هیبرید شده sp2 را تعریف می کنند و بسیاری از خواص نانولوله ها را تعیین می کنند.

شکل 6. مدلهای ساختارهای عرضی نانولوله های چند لایه (a) - "عروسک تودرتو روسی" ؛ (ب) - منشور شش ضلعی ؛ (ج) - پیمایش کنید.

نوع دیگری از نقص ها ، که اغلب بر روی سطح گرافیت نانولوله های چند لایه مشاهده می شود ، با ورود تعداد معینی از پنج ضلعی ها یا هفت ضلعی ها به سطحی که عمدتا از شش ضلعی است ، همراه است. وجود چنین نقص هایی در ساختار نانولوله ها منجر به نقض شکل استوانه ای آنها می شود و معرفی پنج ضلعی باعث خم شدن محدب می شود ، در حالی که معرفی هفت ضلعی باعث ایجاد یک خم تیز آرنج مانند می شود. بنابراین ، چنین نقایصی باعث ظهور نانولوله های خمیده و مارپیچی شکل می شود و وجود مارپیچها با گام ثابت نشان دهنده آرایش کم و بیش منظم نقص در سطح نانولوله است. مشخص شده است که لوله های صندلی را می توان به لوله های زیگزاگ با استفاده از اتصال آرنج متصل کرد که شامل پنج ضلعی در خارج آرنج و یک هفت ضلعی در داخل است. به عنوان مثال ، شکل. شکل 7 اتصال (5.5) لوله صندلی و (9.0) لوله زیگزاگ را نشان می دهد.

برنج. 7. تصویر "اتصال آرنج" بین (5،5) صندلی و (9،0) لوله زیگزاگ. الف) طراحی چشم انداز با حلقه های سایه دار پنج ضلعی و شش ضلعی ، (ب) ساختار پیش بینی شده در سطح تقارن آرنج.

3. روشهای بدست آوردن نانولوله های کربنی

3.1 به دست آوردن گرافیت در تخلیه قوس

این روش بر اساس تشکیل نانولوله های کربنی در حین پاشش حرارتی الکترود گرافیتی در پلاسما یک تخلیه قوس الکتریکی است که در اتمسفر هلیوم می سوزد. این روش به دست آوردن نانولوله ها به میزان کافی برای مطالعه دقیق خواص فیزیکوشیمیایی آنها امکان پذیر است.

لوله را می توان از قطعات گسترده گرافیت بدست آورد که سپس به صورت استوانه پیچیده می شوند. برای تشکیل قطعات گسترده ، شرایط خاصی برای گرم کردن گرافیت مورد نیاز است. شرایط بهینه برای تولید نانولوله ها در تخلیه قوسی با استفاده از گرافیت الکترولیز شده به عنوان الکترود محقق می شود. در شکل 8 نمودار ساده ای از تنظیمات تولید فولرن ها و نانولوله ها را نشان می دهد.

پاشش گرافیت با عبور جریان از الکترودها با فرکانس 60 هرتز ، مقدار جریان 100 تا 200 A ، ولتاژ 10-20 ولت انجام می شود. با تنظیم کشش فنر ، می توان به این نتیجه رسید بخش اصلی قدرت ورودی در قوس آزاد می شود و نه در میله گرافیت. محفظه با فشار 100 تا 500 تورر با هلیوم پر می شود. میزان تبخیر گرافیت در این نصب می تواند به 10 گرم در ولت برسد. در این حالت ، سطح مس ، آب سرد شده ، با محصول تبخیر گرافیت پوشانده شده است ، به عنوان مثال. دوده گرافیت اگر پودر حاصل خراشیده شود و چند ساعت در تولوئن جوش نگهداری شود ، مایع قهوه ای تیره به دست می آید. هنگامی که در یک تبخیر کننده دوار تبخیر می شود ، یک پودر خوب به دست می آید ، وزن آن بیش از 10 of از وزن دوده گرافیت اولیه نیست ، تا 10 ful فولرن ها و نانولوله ها را شامل می شود.

در روش توصیف شده برای تولید نانولوله ها ، هلیوم نقش یک گاز بافر را ایفا می کند. اتم های هلیوم انرژی آزاد شده در اثر ترکیب قطعات کربن را با خود حمل می کنند. تجربه نشان می دهد که فشار بهینه هلیوم برای تولید فولرن ها در محدوده 100 Torr ، برای تولید نانولوله ها - در محدوده 500 Torr است.

برنج. 8. طرح تنظیم برای تولید فولرن ها و نانولوله ها. 1 - الکترودهای گرافیتی ؛ 2 - اتوبوس مسی سرد شده ؛ 3 - پوشش مس ، 4 - چشمه.

در میان محصولات مختلف پاشیدن حرارتی گرافیت (فولرن ها ، نانوذرات ، ذرات دوده) ، بخش کوچکی (چند درصد) توسط نانولوله های چند لایه ، که تا حدی به سطوح سرد نصب متصل شده اند ، و تا حدی بر روی ته نشین می شوند ، محاسبه می شود. سطح همراه با دوده.

نانولوله های تک جداره هنگامی ایجاد می شوند که یک مخلوط کوچک Fe ، Co ، Ni ، Cd به آند اضافه شود (یعنی با افزودن کاتالیزور). علاوه بر این ، SWNT ها با اکسیداسیون نانولوله های چند لایه به دست می آیند. به منظور اکسیداسیون ، نانولوله های چند لایه با اکسیژن در حرارت متوسط ​​یا با جوشاندن اسید نیتریک تصفیه می شوند و در حالت دوم ، حلقه های گرافیتی پنج عضوی برداشته می شوند که منجر به باز شدن انتهای لوله ها می شود. اکسیداسیون لایه های بالایی را از لوله چند لایه حذف کرده و انتهای آن را باز می کند. از آنجا که واکنش پذیری نانوذرات بیشتر از نانولوله ها است ، با تخریب قابل توجه محصول کربن در نتیجه اکسیداسیون ، نسبت نانولوله ها در قسمت باقی مانده آن افزایش می یابد.

3.2 روش تبخیر لیزری

جایگزینی برای رشد نانولوله ها در تخلیه قوس ، روش تبخیر لیزری است. در این روش ، SWNT ها عمدتا با تبخیر مخلوطی از کربن و فلزات گذار توسط پرتو لیزر از هد متشکل از آلیاژ فلز-گرافیت سنتز می شوند. در مقایسه با روش تخلیه قوس الکتریکی ، تبخیر مستقیم امکان کنترل دقیق تر شرایط رشد ، عملیات طولانی مدت و تولید نانولوله ها با عملکرد بالاتر از کیفیت قابل استفاده و بهتر را می دهد. اصول اساسی تولید SWNT با تبخیر لیزری همانند روش تخلیه قوس الکتریکی است: اتم های کربن شروع به تجمع کرده و در محل ذرات کاتالیزور فلز یک ترکیب تشکیل می دهند. در راه اندازی (شکل 9) ، یک پرتو لیزر اسکن در یک نقطه 6-7 میلی متری بر روی هدف حاوی فلز گرافیت متمرکز شد. هدف در یک لوله پر شده (در فشار بالا) با آرگون قرار داده شد و تا دمای 1200 درجه سانتیگراد گرم شد. دوده ، که در طول تبخیر لیزر ایجاد شد ، توسط جریان آرگون از منطقه با درجه حرارت بالا منتقل شده و بر روی یک کلکتور مس سرد شده با آب واقع در خروجی لوله قرار داده شد.

برنج. 9. شماتیک تنظیم لیزر ابلاسیون.

3.3 رسوب بخار شیمیایی

روش رسوب بخار شیمیایی پلاسما (PCV) بر اساس این واقعیت است که یک منبع کربنی گازی (اغلب متان ، استیلن یا مونوکسید کربن) در معرض یک منبع انرژی بالا (پلاسما یا کویل مقاوم در برابر حرارت) قرار می گیرد تا مولکول را به یک واکنش فعال کربن اتمی تقسیم کنید. علاوه بر این ، روی یک بستر گرم شده با کاتالیزور (معمولاً اینها فلزات انتقالی دوره اول Fe ، Co ، Ni و غیره هستند) پاشیده می شود ، که کربن روی آن رسوب می کند. نانولوله ها تنها با پارامترهای دقیق رعایت می شوند. بازتولید دقیق جهت رشد نانولوله ها و موقعیت آنها در سطح نانومتر تنها زمانی امکان پذیر است که با روش CCP کاتالیزوری آماده شوند. کنترل دقیق قطر نانولوله و سرعت رشد آنها امکان پذیر است. بسته به قطر ذرات کاتالیزور ، فقط SWNT یا MWNT می توانند رشد کنند. در عمل ، این ویژگی به طور گسترده ای در فناوری ایجاد پروب برای میکروسکوپ پروب اسکن استفاده می شود. با تنظیم موقعیت کاتالیزور در انتهای نوک سیلیکون قوطی ، می توان یک نانولوله را رشد داد ، که این امر قابلیت تکرارپذیری ویژگی ها و وضوح میکروسکوپ را ، هم در حین اسکن و هم در عملیات لیتوگرافی ، بهبود می بخشد.

معمولاً سنتز نانولوله ها به روش PCH در دو مرحله انجام می شود: تهیه کاتالیزور و رشد واقعی نانولوله ها. کاتالیزور با پاشیدن فلز گذار بر روی سطح بستر ته نشین می شود و سپس با استفاده از اچ یا بازپخت شیمیایی ، تشکیل ذرات کاتالیزور آغاز می شود ، که روی آنها نانولوله ها بیشتر رشد می کنند (شکل 10). درجه حرارت در طول سنتز نانولوله ها از 600 تا 900 درجه سانتی گراد متغیر است.

در میان بسیاری از روشهای PCR ، روش پیرولیز کاتالیزوری هیدروکربنها (شکل 10) باید مورد توجه قرار گیرد ، که در آن می توان کنترل انعطاف پذیر و جداگانه ای را برای شکل گیری نانولوله ها اعمال کرد.

به عنوان یک کاتالیزور ، معمولاً از آهن استفاده می شود که در محیط کاهنده از ترکیبات مختلف آهن (آهن (III) کلرید ، آهن (III) سالیسیلات یا پنتاکربونیل آهن) ایجاد می شود. مخلوطی از نمک های آهن با هیدروکربن (بنزن) توسط یک جریان مستقیم آرگون یا با استفاده از یک نبولایزر اولتراسونیک به داخل محفظه واکنش پاشیده می شود. آئروسل حاصله با جریان آرگون وارد راکتور کوارتز می شود. در ناحیه کوره پیش گرمایش ، جریان آئروسل تا دمای 250 درجه سانتیگراد گرم می شود ، هیدروکربن تبخیر می شود و روند تجزیه نمک حاوی فلز آغاز می شود. سپس آئروسل وارد منطقه کوره پیرولیز می شود ، دمای آن 900 درجه سانتی گراد است. در این دما ، فرآیند تشکیل ذرات کاتالیزور ریز و نانو ، تجزیه هیدروکربن ها و تشکیل ساختارهای کربنی مختلف از جمله نانولوله ها بر روی ذرات فلزی و دیواره های راکتور رخ می دهد. سپس جریان گاز ، که از طریق لوله واکنش حرکت می کند ، وارد منطقه خنک کننده می شود. محصولات پیرولیز در انتهای ناحیه پیرولیز بر روی یک میله مسی سرد شده با آب قرار می گیرند.

برنج. 10. نمودار نصب برای پیرولیز کاتالیزوری هیدروکربنها.

4. خواص نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی خصوصیات مولکول ها و جامدات را با هم ترکیب می کنند و توسط برخی محققان به عنوان حالت میانی ماده در نظر گرفته می شوند. نتایج اولین مطالعات روی نانولوله های کربنی نشان دهنده خواص غیر معمول آنها است. برخی از خواص نانولوله های تک جداره در جدول آمده است. یکی

خواص الکتریکی SWNT ها تا حد زیادی توسط کایرال بودن آنها تعیین می شود. محاسبات نظری متعددی یک قاعده کلی برای تعیین نوع رسانایی SWNT ها ارائه می دهد:

لوله های با (n ، n) همیشه فلزی هستند.

لوله های با n - m = 3j ، جایی که j یک عدد صحیح صفر نیست ، نیمه رسانا با فاصله باند کوچک هستند. و بقیه نیمه هادی ها با فاصله باند زیاد هستند.

در واقع ، نظریه نوار برای لوله های n - m = 3j یک نوع رسانایی فلزی را ارائه می دهد ، اما هنگامی که صفحه منحنی است ، یک شکاف کوچک در مورد j غیر صفر باز می شود. نانولوله های نوع صندلی (n ، n) در نمای یک الکترون بدون توجه به انحنای سطح ، که به دلیل تقارن آنها است ، فلزی باقی می مانند. با افزایش شعاع لوله R ، فاصله باند برای نیمه رساناها با عرض بزرگ و کوچک مطابق قانون 1 / R و 1 / R2 به ترتیب کاهش می یابد. بنابراین ، برای اکثر نانولوله های مشاهده شده تجربی ، فاصله با عرض کم ، که توسط اثر خمش تعیین می شود ، آنقدر کوچک خواهد بود که در شرایط استفاده عملی ، همه لوله های n - m = 3j در دمای اتاق فلزی در نظر گرفته شده است

میز 1

خواص	نانولوله های تک جداره	مقایسه با داده های شناخته شده
اندازه مشخصه	قطر 0.6 تا 1.8 نانومتر	حد لیتوگرافی الکترونی 7 نانومتر
تراکم	1.33-1.4 گرم / سانتی متر 3	تراکم آلومینیوم
استحکام کششی		سخت ترین آلیاژ فولاد در 2 GPa شکسته می شود
قابلیت ارتجاعی	به صورت الاستیک در هر زاویه ای خم می شود	فلزات کربنی و الیاف در مرز دانه ها می شکنند
چگالی جریان	برآوردها تا 1G A / cm2 را نشان می دهند	سیم های مسی وقتی می سوزند
انتشار خودکار	در 1-3 ولت در فاصله 1 میکرون فعال می شود	سوزن های مولیبدن 50 تا 100 ولت نیاز دارند و عمر کوتاهی دارند
هدایت حرارتی	حداکثر 6000 W / mK را پیش بینی می کند	یک الماس خالص 3320 W / mK دارد
ثبات دما	تا 2800 درجه سانتیگراد در خلا و 750 درجه سانتیگراد در هوا	فلز شدن در مدارها در دمای 600 - 1000 درجه سانتیگراد ذوب می شود
		طلا 10 دلار در گرم

استحکام مکانیکی بالای نانولوله های کربنی در ترکیب با هدایت الکتریکی آنها امکان استفاده از آنها را به عنوان یک کاوشگر در اسکن میکروسکوپ های کاوشگر فراهم می کند ، که باعث افزایش قدرت تفکیک دستگاه هایی از این دست به میزان چند مرتبه می شود و آنها را در یک سطح مشابه قرار می دهد. دستگاه بی نظیری به عنوان میکروسکوپ یون میدان

نانولوله ها دارای ویژگی های انتشار بالا هستند. چگالی فعلی انتشار میدان در ولتاژ حدود 500 ولت در دمای اتاق به مقدار 1/1 A. cm -2 می رسد. این امکان ایجاد نمایشگرهای نسل جدید بر اساس آنها را فراهم می کند.

نانولوله های باز دارای اثر موئینی هستند و قادر به جذب فلزات مذاب و سایر مواد مایع هستند. تحقق این خاصیت نانولوله ها چشم انداز ایجاد رشته های رسانا با قطر حدود یک نانومتر را باز می کند.

به نظر می رسد استفاده از نانولوله ها در فناوری شیمیایی بسیار امیدوار کننده است ، که از یک سو با سطح ویژه و پایداری شیمیایی آنها و از طرف دیگر با امکان اتصال رادیکال های مختلف به سطح نانولوله مرتبط است. ، که بعداً می تواند به عنوان مرکز کاتالیزوری یا هسته عمل کند. برای انواع تحولات شیمیایی. تشکیل نانولوله ها از ساختارهای مارپیچی با جهت گیری تصادفی مکرر که بین خود پیچیده می شوند منجر به ظهور تعداد قابل توجهی حفره نانومتری در داخل مواد نانولوله می شود که برای نفوذ مایعات یا گازها از خارج قابل دسترسی است. در نتیجه ، سطح خاص یک ماده متشکل از نانولوله ها به مقدار مربوط به یک نانولوله مجزا نزدیک است. در مورد نانولوله تک جداره ، این مقدار در حدود 600 متر مربع در گرم -1 است. چنین مقدار بالایی از سطح ویژه نانولوله ها امکان استفاده از آنها را به عنوان یک ماده متخلخل در فیلترها ، در دستگاه های فناوری شیمیایی و غیره ایجاد می کند.

در حال حاضر ، گزینه های مختلفی برای استفاده از نانولوله های کربنی در سنسورهای گاز پیشنهاد شده است که به طور فعال در اکولوژی ، انرژی ، پزشکی و کشاورزی استفاده می شود. حسگرهای گاز بر اساس تغییر در قدرت یا مقاومت ترموالکتریک در حین جذب مولکول های گازهای مختلف در سطح نانولوله ها ایجاد شده اند.

5. کاربرد نانولوله ها در الکترونیک

اگرچه کاربردهای تکنولوژیکی نانولوله ها بر اساس سطح ویژه آنها بسیار مورد توجه است ، اما جذاب ترین موارد استفاده از نانولوله ها است که با پیشرفت در زمینه های مختلف الکترونیک مدرن مرتبط است. اندازه کوچک آن ، بسته به شرایط سنتز ، رسانایی الکتریکی ، استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی ، به عنوان اندازه کوچک آن ، در محدوده قابل توجهی متفاوت است ، این نانولوله را می توان به عنوان پایه ای برای عناصر آینده میکروالکترونیک در نظر گرفت.

معرفی یک جفت پنج ضلعی-هفت ضلعی به عنوان یک نقص در ساختار ایده آل نانولوله تک جداره (مانند شکل 7) کایرال بودن آن و در نتیجه خواص الکترونیکی آن را تغییر می دهد. اگر ساختار (8.0) / (7.1) را در نظر بگیریم ، از محاسبات بر می آید که یک لوله با کایرالیته (8.0) یک نیمه هادی با فاصله باند 1.2 eV است ، در حالی که یک لوله با کایرالیتی (7 ، 1) یک نیمه فلزی بنابراین ، این نانولوله خمیده باید یک انتقال مولکولی نیمه هادی باشد و می تواند برای ایجاد یک دیود اصلاح کننده ، یکی از عناصر اصلی مدارهای الکترونیکی استفاده شود.

به طور مشابه ، در نتیجه معرفی یک نقص ، ناهمگن های نیمه هادی-نیمه هادی با مقادیر مختلف شکاف باند به دست می آید. بنابراین ، نانولوله ها با نقص های تعبیه شده می توانند اساس یک عنصر نیمه هادی با ابعاد کوچک را تشکیل دهند. مشکل ایجاد نقص در ساختار ایده آل نانولوله تک جداره مشکلات فنی خاصی را به همراه دارد ؛ با این حال ، می توان انتظار داشت که در نتیجه توسعه فناوری اخیراً برای تولید نانولوله های تک جداره با کایرال خاص ، این مشکل راه حل موفقی پیدا خواهد کرد.

بر اساس نانولوله های کربنی ، می توان یک ترانزیستور ایجاد کرد ، که از نظر ویژگی های خود از مدارهای مشابه سیلیکون پیشی می گیرد ، که در حال حاضر جزء اصلی در ساخت میکرو مدارهای نیمه هادی است. در سطح یک لایه سیلیکونی p- یا n ، که قبلاً با یک لایه 120 نانومتری SiO2 پوشانده شده بود ، الکترودهای منبع پلاتین و تخلیه تشکیل شد و نانولوله های تک جداره از محلول ته نشین شدند (شکل 11).

شکل 11 ترانزیستور اثر میدان بر روی نانولوله نیمه هادی نانولوله روی یک بستر غیر رسانا (کوارتز) در تماس با دو سیم فوق نازک قرار دارد ، از لایه سیلیکون (a) به عنوان سومین الکترود (دروازه) استفاده می شود. وابستگی رسانایی در مدار به پتانسیل دروازه (ب) 3.

وظیفه

1. برای آشنایی با خواص ، ساختار و فناوری بدست آوردن نانولوله های کربنی.

2. مواد حاوی نانولوله های کربنی را برای بررسی با میکروسکوپ الکترونی عبوری آماده کنید.

3. یک تصویر متمرکز از نانولوله ها در بزرگنمایی های مختلف بدست آورید. در بالاترین وضوح ممکن ، اندازه (طول و قطر) نانولوله های پیشنهادی را تخمین بزنید. در مورد ماهیت نانولوله ها (تک جداره یا چند جداره) و عیوب مشاهده شده نتیجه گیری کنید.

سوالات آزمون

1. ساختار الکترونیکی مواد کربنی. ساختار نانولوله های تک جداره ساختار نانولوله های چند لایه

2. خواص نانولوله های کربنی.

3. پارامترهای اصلی که خواص الکتریکی نانولوله ها را تعیین می کنند. قانون کلی برای تعیین نوع رسانایی یک نانولوله تک جداره.

5. زمینه های کاربرد نانولوله های کربنی.

6. روش های تولید نانولوله ها: روش تجزیه حرارتی گرافیت در تخلیه قوس ، روش تبخیر لیزری گرافیت ، روش رسوب بخار شیمیایی.

ادبیات

1. Harris، P. نانولوله های کربنی و ساختارهای مرتبط. مواد جدید قرن XXI. / P. Harris - M.: Technosphere، 2003. -336 p.

2. Eletskiy، AV نانولوله های کربنی / AV Eletskiy // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1997.- T 167 ، شماره 9 - ص 945 - 972

3. Bobrinetskiy ، II شکل گیری و بررسی خواص الکتروفیزیکی ساختارهای مسطح بر اساس نانولوله های کربنی. پایان نامه برای درجه نامزد علوم فنی // I.I.Bobrinetskiy. - مسکو ، 2004.-145 ص.

Bernaerts D. et al. / in Physics and Chemistry of fullerenes and Derivaties (Eds H. Kusmany et al.) - سنگاپور ، World Scientific. - 1995. - P.551

Thes A. و همکاران / علوم پایه. - 1996. - 273 - ص 483

Wind ، S. J. مقیاس گذاری عمودی ترانزیستورهای اثر نانولوله کربنی با استفاده از الکترودهای دروازه بالا / S. J. Wind، Appenzeller J.، Martel R.، Derycke and Avouris P. // Appl. فیزیک لت - 2002.- 80. ص 3817.

Tans S. J. ، Devoret M. H. ، Dai H. // طبیعت. 1997. V.386. ص 477-477.

نانولوله های کربنی فردای فناوری های نوآورانه هستند. تولید و پیاده سازی نانولوله ها باعث بهبود کیفیت کالاها و محصولات می شود ، وزن آنها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و استحکام آنها را افزایش می دهد و همچنین ویژگی های جدیدی به آنها می بخشد.

نانولوله های کربنی چیست؟

نانولوله های کربنی یا نانوساختار لوله ای (نانولوله) یک ساختار استوانه ای توخالی یا چند جداره است که به طور مصنوعی در شرایط آزمایشگاهی ایجاد شده و از اتم های کربن بدست آمده و دارای خواص مکانیکی ، الکتروفیزیکی و فیزیکی استثنایی هستند.

نانولوله های کربنی از اتم های کربن ساخته شده اند و به شکل لوله یا استوانه شکل گرفته اند. آنها بسیار کوچک هستند (در مقیاس نانو) ، قطر آنها از یک تا چند ده نانومتر و طول آنها تا چند سانتی متر است. نانولوله های کربنی از گرافیت تشکیل شده اند ، اما دارای ویژگی های دیگری هستند که مشخصه گرافیت نیستند. آنها در طبیعت وجود ندارند منشا آنها مصنوعی است. بدنه نانولوله ها مصنوعی است که توسط افراد مستقل از ابتدا تا انتها ایجاد شده است.

اگر یک میلیون بار به نانولوله بزرگ شده نگاه کنید ، می توانید استوانه ای کشیده را مشاهده کنید که از شش ضلعی متساوی الاضلاع با اتم های کربن در رأس آنها تشکیل شده است. این یک صفحه گرافیتی است که در یک لوله نورد شده است. کایرال بودن یک نانولوله ویژگی ها و خواص فیزیکی آن را تعیین می کند.

یک میلیون بار بزرگ شده ، نانولوله استوانه ای کشیده است که از شش ضلعی های متساوی الاضلاع با اتم های کربن در بالای آنها تشکیل شده است. این یک صفحه گرافیتی است که در یک لوله نورد شده است.

کایرالیته خاصیت یک مولکول است که در فضا با تصویر آینه آن ترکیب نمی شود.

واضح تر اینکه کایرالیتی زمانی است که مثلاً یک ورق کاغذ را به طور مساوی تا می کنید. اگر به صورت مورب ، پس این حالت کایرالیته است. نانولوله ها می توانند دارای ساختارهای تک لایه و چند لایه باشند. یک ساختار چند لایه چیزی بیشتر از چندین نانولوله تک جداره نیست که "یک به یک" پوشیده شده اند.

تاریخچه کشف

تاریخ دقیق کشف نانولوله ها و کاشف آنها مشخص نیست. این موضوع غذای بحث و استدلال است ، زیرا توضیحات موازی زیادی از این ساختارها توسط دانشمندان کشورهای مختلف وجود دارد. مشکل اصلی در شناسایی کاشف این است که نانولوله ها و نانوالیاف که در محدوده دید دانشمندان قرار می گیرند ، به مدت طولانی توجه آنها را به خود جلب نکرده و به طور کامل مورد مطالعه قرار نگرفته اند. آثار علمی موجود ثابت می کند که امکان ایجاد نانولوله ها و الیاف از مواد حاوی کربن از لحاظ نظری در نیمه دوم قرن گذشته مجاز بوده است.

دلیل اصلی اینکه مطالعات جدی در مورد ترکیبات کربن میکرون برای مدت طولانی انجام نشده است این است که در آن زمان دانشمندان از یک پایگاه علمی به اندازه کافی قوی برای تحقیق برخوردار نبودند ، یعنی هیچ تجهیزاتی وجود نداشت که بتواند هدف مطالعه را افزایش دهد. درجه مورد نیاز و درخشش در ساختار آنها. ...

اگر رویدادهای مطالعه ترکیبات نانوکربن را به ترتیب زمانی ترتیب دهیم ، اولین شواهد در سال 1952 به دست می آید ، زمانی که دانشمندان شوروی رادوشکویچ و لوکیانوویچ توجه خود را به ساختار نانوالیاف در هنگام تجزیه حرارتی مونوکسید کربن (نام روسی اکسید) جلب کردند. ساختار مشاهده شده با تجهیزات میکروسکوپی الکترونی دارای الیاف با قطر حدود 100 نانومتر بود. متأسفانه ، همه چیز فراتر از اصلاح نانوساختار غیرمعمول پیش نرفت و تحقیقات بیشتری در پی آن انجام نشد.

پس از 25 سال غفلت ، از سال 1974 ، اطلاعات مربوط به وجود ساختارهای لوله ای به اندازه میکرون از کربن شروع به روزنامه می کند. بنابراین ، گروهی از دانشمندان ژاپنی (T. Koyama ، M. Endo ، A. Oberlin) در طول تحقیقات در 1974-1975. نتایج تعدادی از مطالعات آنها به عموم ارائه شد ، که لوله های نازک با قطر کمتر از 100 described را که از بخار در هنگام تراکم به دست آمده بود ، توصیف کرد. همچنین ، شکل گیری ساختارهای توخالی با توصیف ساختار و مکانیسم تشکیل به دست آمده در مطالعه خواص کربن ، توسط دانشمندان شوروی از موسسه تجزیه و تحلیل شعبه سیبری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی در سال 1977 توصیف شد.

Ag (Agström) - واحد اندازه گیری فواصل برابر 10-10 متر. در سیستم SI ، واحد نزدیک به قدر آنگستروم یک نانومتر (1 نانومتر = 10 Å) است.

فولرن ها مولکول های توخالی و کروی شکل به شکل توپ یا توپ راگبی هستند.

فولرنز چهارمین اصلاح کربن است که قبلاً ناشناخته بوده و توسط شیمی دان و اخترفیزیکدان انگلیسی هارولد کروتو کشف شده است.

و تنها پس از استفاده از جدیدترین تجهیزات در تحقیقات علمی خود ، که امکان بررسی دقیق و درخشش از طریق ساختار کربنی نانولوله ها را فراهم می کند ، دانشمند ژاپنی Sumio Iijima اولین مطالعات جدی را در سال 1991 انجام داد ، که در نتیجه آن امکان بدست آوردن نانولوله های کربنی تجربی و مطالعه دقیق آنها ...

در تحقیقات خود ، پروفسور ایجیما ، برای به دست آوردن نمونه اولیه ، روی گرافیت اتمیزه با تخلیه قوس الکتریکی عمل کرد. نمونه اولیه با دقت اندازه گیری شده است. ابعاد آن نشان داد که قطر رشته ها (چارچوب) از چند نانومتر تجاوز نمی کند و طول آنها از یک تا چند میکرون است. دانشمندان با مطالعه ساختار یک نانولوله کربنی دریافتند که شی مورد مطالعه می تواند از یک تا چند لایه متشکل از یک شبکه شش ضلعی گرافیتی بر اساس شش ضلعی ها داشته باشد. در این حالت ، انتهای نانولوله ها از نظر ساختاری شبیه به نیمی از مولکول فولرن هستند که به دو قسمت تقسیم شده اند.

در زمان مطالعات فوق ، قبلاً آثار دانشمندان مشهوری در زمینه خود مانند Jones، L.A. چرنوزاتونسکی ، M.Yu. کورنیلوف ، با پیش بینی امکان شکل گیری یک نوع آلوتروپیک کربن ، توصیف ساختار ، خواص فیزیکی ، شیمیایی و دیگر آن.

ساختار چند لایه یک نانولوله چیزی بیش از چندین نانولوله تک لایه نیست که طبق اصل یک عروسک تودرتو روسی "یک به یک" لباس پوشیده می شوند.

خواص الکتروفیزیکی

خواص الکتروفیزیکی نانولوله های کربنی در مرحله شدیدترین مطالعه توسط جوامع علمی در سراسر جهان قرار دارد. با طراحی نانولوله ها در روابط هندسی خاص ، می توان به آنها خواص رسانایی یا نیمه هادی داد. به عنوان مثال ، الماس و گرافیت کربن هستند ، اما به دلیل تفاوت در ساختار مولکولی ، خواص متفاوتی دارند و در برخی موارد برعکس. چنین نانولوله هایی فلزی یا نیمه رسانا نامیده می شوند.

نانولوله هایی که حتی در دمای صفر مطلق جریان الکتریکی را هدایت می کنند ، فلزی هستند. رسانایی صفر جریان الکتریکی در صفر مطلق ، که با افزایش دما افزایش می یابد ، نشانه ای از یک ساختار نانو نیمه هادی است.

طبقه بندی اصلی با توجه به روش نورد صفحه گرافیت توزیع می شود. روش نورد با دو عدد "m" و "n" تعیین می شود که جهت نورد را در طول بردارهای شبکه گرافیتی تعیین می کند. خواص نانولوله ها به هندسه نورد صفحه گرافیت بستگی دارد ، به عنوان مثال ، زاویه چرخش به طور مستقیم بر خواص الکتروفیزیکی آنها تأثیر می گذارد.

بسته به پارامترها (n ، m) ، نانولوله ها عبارتند از: مستقیم (اچیرال) ، دندانه دار ("صندلی") ، زیگزاگ و مارپیچ (کایرال). برای محاسبه و برنامه ریزی هدایت الکتریکی ، از فرمول نسبت پارامتر استفاده می شود: (n-m) / 3.

یک عدد صحیح بدست آمده در محاسبه ، رسانایی یک نانولوله فلزی و یک عدد کسری - یک نیمه هادی را نشان می دهد. به عنوان مثال ، تمام لوله های صندلی فلزی هستند. نانولوله های کربنی از نوع فلزی جریان الکتریکی را در صفر مطلق هدایت می کنند. نانولوله های نیمه رسانا دارای رسانایی صفر در صفر مطلق هستند که با افزایش دما افزایش می یابد.

نانولوله هایی با نوع رسانایی فلزی می توانند تقریباً یک میلیارد آمپر در سانتی متر مربع منتقل کنند. مس ، به عنوان یکی از بهترین رساناهای فلزی ، در این شاخص ها بیش از هزار برابر از نانولوله ها پایین تر است. هنگامی که از حد رسانایی تجاوز می شود ، گرمایش رخ می دهد که با ذوب مواد و تخریب شبکه مولکولی همراه است. این امر در مورد نانولوله ها در شرایط مساوی اتفاق نمی افتد. این به دلیل هدایت حرارتی بسیار بالای آنها است که دو برابر الماس است.

از نظر استحکام ، نانولوله ها مواد دیگر را نیز بسیار پشت سر می گذارند. 5 تا 10 برابر قوی ترین آلیاژهای فولادی (1.28-1.8 TPa modulo Young) قوی است و کشش آن 100000 برابر بیشتر از لاستیک است. اگر شاخص های مقاومت کششی را مقایسه کنیم ، آنها 20-22 برابر از ویژگی های مقاومت مشابه فولاد با کیفیت بالا فراتر می روند!

چگونه می توانید UN را دریافت کنید

نانولوله ها با روش های درجه حرارت بالا و درجه حرارت پایین تولید می شوند.

روش های درجه حرارت بالا شامل لیزر ، تکنولوژی خورشیدی یا تخلیه قوس الکتریکی است. فرآیند دمای پایین شامل رسوب بخار شیمیایی با استفاده از تجزیه کاتالیزوری هیدروکربن ها ، رشد کاتالیزوری فاز گازی از مونوکسید کربن ، تولید توسط الکترولیز ، عملیات حرارتی پلیمر ، پیرولیز دمای پایین محلی یا کاتالیز موضعی است. درک همه روش ها دشوار است ، با تکنولوژی بالا و بسیار گران است. تولید نانولوله ها تنها توسط یک شرکت بزرگ با پایگاه علمی قدرتمند امکان پذیر است.

به طور ساده ، فرآیند تولید نانولوله ها از کربن به روش قوس به شرح زیر است:

پلاسما در حالت گازی از طریق دستگاه تزریق به راکتوری که تا دمای معین با حلقه بسته گرم شده است تزریق می شود. در راکتور ، در قسمتهای بالا و پایین ، سیم پیچ های مغناطیسی نصب شده است که یکی از آنها آند و دیگری کاتد است. یک جریان الکتریکی ثابت به سیم پیچ های مغناطیسی وارد می شود. پلاسما در راکتور تحت تأثیر قوس الکتریکی قرار می گیرد که توسط میدان مغناطیسی می چرخد. تحت تأثیر قوس الکتروپلاسما با درجه حرارت بالا از سطح آند ، که از یک ماده حاوی کربن (گرافیت) تشکیل شده است ، کربن تبخیر می شود یا "نشت می کند" و بر روی کاتد به شکل نانولوله های کربنی موجود در رسوب به منظور متراکم شدن اتم های کربن در کاتد ، دمای راکتور کاهش می یابد. حتی توصیف مختصری از این فناوری امکان ارزیابی پیچیدگی و هزینه به دست آوردن نانولوله ها را فراهم می آورد. زمان زیادی طول می کشد تا فرآیند تولید و کاربرد در دسترس اکثر شرکت ها قرار گیرد.

گالری عکس: طرح و تجهیزات برای به دست آوردن نانولوله ها از کربن

نصب و راه اندازی سنتز نانولوله های کربنی تک جداره با روش قوس الکتریکی نصب علمی قدرت کم برای به دست آوردن ساختار نانو لوله ای
روش بدست آوردن در دمای پایین

نصب و راه اندازی برای تولید نانولوله های کربنی بلند

آیا سمی هستند؟

قطعا بله.

در طی تحقیقات آزمایشگاهی ، دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که نانولوله های کربنی بر موجودات زنده تأثیر منفی می گذارد. این به نوبه خود سمیت نانولوله ها را تأیید می کند و کمتر و کمتر دانشمندی باید به این موضوع مهم شک کند.

مطالعات نشان داده اند که تعامل مستقیم نانولوله های کربنی با سلول های زنده منجر به مرگ آنها می شود. به خصوص نانولوله های تک جداره دارای فعالیت ضد میکروبی قوی هستند. آزمایش هایی که دانشمندان شروع به انجام فرهنگ گسترده ای از پادشاهی باکتری ها (اشریشیا کولی) E-Coli کردند. در روند تحقیق از نانولوله های تک جداره با قطر 0.75 تا 1.2 نانومتر استفاده شد. همانطور که آزمایش ها نشان داده اند ، در نتیجه تاثیر نانولوله های کربنی بر یک سلول زنده ، دیواره های سلولی (غشاها) از نظر مکانیکی آسیب می بینند.

نانولوله های تولید شده با روش های دیگر حاوی مقدار زیادی فلزات و سایر ناخالصی های سمی هستند. بسیاری از دانشمندان تصور می کنند که سمیت بسیار نانولوله های کربنی به ریخت شناسی آنها بستگی ندارد ، بلکه به ناخالصی های موجود در آنها (نانولوله ها) ارتباط مستقیم دارد. با این حال ، کار انجام شده توسط دانشمندان از دانشگاه ییل در زمینه تحقیق روی نانولوله ها تصور غلط بسیاری از جوامع را نشان داد. بنابراین ، باکتری های اشرشیاکلی (E-Coli) در روند تحقیق با نانولوله های کربنی تک جداره به مدت یک ساعت تحت درمان قرار گرفتند. در نتیجه ، اکثر E-Coli فوت کردند. داده های تحقیقاتی در زمینه نانومواد سمیت و اثرات منفی آنها بر موجودات زنده را تأیید کرد.

دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که نانولوله های تک جداره خطرناک ترین هستند ، این به دلیل نسبت نسبی طول نانولوله کربنی به قطر آن است.

مطالعات مختلف در مورد تأثیر نانولوله های کربنی بر بدن انسان ، دانشمندان را به این نتیجه رساند که تأثیر مشابهی است ، مانند مورد مصرف فیبرهای آزبست در بدن. میزان تأثیر منفی الیاف آزبست به طور مستقیم به اندازه آنها بستگی دارد: هرچه کوچکتر ، تأثیر منفی قوی تر است. و در مورد نانولوله های کربنی ، در مورد تأثیر منفی آنها بر بدن شکی نیست. نانولوله با ورود به بدن همراه با هوا ، از طریق پلور در قفسه سینه قرار می گیرد و در نتیجه عوارض جدی ، به ویژه تومورهای سرطانی را ایجاد می کند. اگر نفوذ نانولوله ها به بدن از طریق غذا اتفاق بیفتد ، آنها بر روی دیواره های معده و روده رسوب کرده و باعث بیماری ها و عوارض مختلف می شوند.

در حال حاضر ، دانشمندان در حال تحقیق روی سازگاری بیولوژیکی نانومواد و جستجوی فناوری های جدید برای تولید ایمن نانولوله های کربنی هستند.

چشم اندازها

نانولوله های کربنی کاربردهای وسیعی دارند. این به این دلیل است که آنها دارای ساختار مولکولی در قالب یک چارچوب هستند ، در نتیجه به آنها امکان می دهد خواصی متفاوت از الماس یا گرافیت داشته باشند. به دلیل ویژگی های متمایز آنها (قدرت ، رسانایی ، خم شدن) نانولوله های کربنی در مقایسه با سایر مواد بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

این اختراع کربن در الکترونیک ، اپتیک ، مهندسی مکانیک و غیره استفاده می شود. نانولوله های کربنی به عنوان افزودنی به پلیمرها و کامپوزیت های مختلف برای افزایش قدرت ترکیبات مولکولی استفاده می شوند. پس از همه ، همه می دانند که شبکه مولکولی ترکیبات کربن دارای قدرت باور نکردنی است ، به ویژه در شکل خالص آن.

نانولوله های کربنی همچنین در تولید خازن ها و انواع مختلف سنسورها ، آندها ، که برای ساخت باتری ها ضروری هستند ، به عنوان جاذب امواج الکترومغناطیسی استفاده می شود. این ترکیب کربن به طور گسترده ای در ساخت شبکه های مخابراتی و نمایشگرهای کریستال مایع استفاده می شود. همچنین ، نانولوله ها به عنوان تقویت کننده کاتالیزوری در ساخت وسایل روشنایی استفاده می شوند.

برنامه تجاری

بازار	کاربرد	خواص ترکیبات بر اساس نانولوله های کربنی
ماشین ها	قطعات سیستم سوخت رسانی و خطوط سوخت (اتصالات ، قطعات پمپ ، حلقه های O ، لوله ها) ، قطعات خارجی بدنه برای رنگ آمیزی الکترو (ضربه گیر ، محفظه آینه ، درپوش مخزن سوخت)	بهبود تعادل خواص در مقایسه با کربن سیاه ، قابلیت بازیافت برای قطعات بزرگ ، مقاومت در برابر تغییر شکل
الکترونیک	ابزارها و تجهیزات تکنولوژیکی ، کاست برای ویفرهای نیمه هادی ، تسمه نقاله ، بلوک های اتصال ، تجهیزات اتاق های تمیز	بهبود خلوص ترکیب در مقایسه با الیاف کربن ، کنترل مقاومت سطح ، قابلیت ماشینکاری برای ریخته گری قطعات نازک ، مقاومت در برابر تغییر شکل ، تعادل خواص ، امکانات جایگزین مخلوط های پلاستیکی در مقایسه با الیاف کربن

نانولوله های کربنی محدود به کاربردهای خاصی در صنایع مختلف نمی شود. این ماده نسبتاً اخیراً اختراع شد ، و بنابراین ، در حال حاضر به طور گسترده در تحقیقات و توسعه علمی در بسیاری از کشورهای جهان استفاده می شود. این امر برای مطالعه دقیق تر خواص و ویژگی های نانولوله های کربنی و همچنین ایجاد تولید در مقیاس بزرگ مواد ضروری است ، زیرا در حال حاضر موقعیت نسبتاً ضعیفی در بازار دارد.

از نانولوله های کربنی برای خنک سازی ریزپردازنده ها استفاده می شود

با توجه به خواص رسانایی خوب آنها ، استفاده از نانولوله های کربنی در مهندسی مکانیک طیف وسیعی را اشغال کرده است. این ماده به عنوان وسیله ای برای واحدهای خنک کننده با ابعاد عظیم استفاده می شود. این در درجه اول به این دلیل است که نانولوله های کربنی دارای هدایت حرارتی خاص بالا هستند.

استفاده از نانولوله ها در توسعه فناوری رایانه نقش مهمی در صنعت الکترونیک ایفا می کند. با تشکر از استفاده از این مواد ، تولیدی برای تولید نمایشگرهای نسبتاً مسطح ایجاد شده است. این به انتشار تجهیزات رایانه ای با ابعاد جمع و جور کمک می کند ، اما در عین حال ، ویژگی های فنی رایانه های الکترونیکی از بین نمی رود ، بلکه حتی افزایش می یابد. استفاده از نانولوله های کربنی در توسعه فناوری های رایانه ای و صنعت الکترونیک به شما امکان می دهد تا به تولید تجهیزات دست یابید ، که از نظر مشخصات فنی چندین برابر برتری آنالوگ های کنونی برتری خواهند داشت. بر اساس این مطالعات ، کینسکوپ های ولتاژ بالا در حال ایجاد هستند.

اولین پردازنده نانولوله کربنی

مشکلات استفاده

یکی از مشکلات استفاده از نانولوله ها تأثیر منفی بر موجودات زنده است که استفاده از این ماده در پزشکی را دچار تردید می کند. برخی از کارشناسان حدس می زنند که خطرات ناگفته ای می تواند در فرآیند تولید انبوه نانولوله های کربنی ایجاد شود. یعنی در نتیجه گسترش زمینه های کاربرد نانولوله ها ، نیاز به تولید آنها در مقیاس بزرگ وجود خواهد داشت و بر این اساس ، تهدیدی برای محیط زیست ایجاد می شود.

دانشمندان پیشنهاد می کنند که راههای حل این مشکل را در استفاده از روشها و روشهای سازگار با محیط زیست برای تولید نانولولههای کربنی جستجو کنند. همچنین پیشنهاد شد که تولیدکنندگان این مواد رویکرد جدی در مورد موضوع "تمیز کردن" پیامدهای فناوری فرآیند CVD داشته باشند ، که به نوبه خود ممکن است بر افزایش هزینه محصولات تولیدی تأثیر بگذارد.

عکس تاثیر منفی نانولوله ها بر روی سلول ها الف) سلول های E. coli قبل از تاثیر نانولوله ها. ب) سلولها پس از قرار گرفتن در معرض نانولوله ها

در دنیای مدرن ، نانولوله های کربنی سهم بسزایی در توسعه فناوری های نوآورانه دارند. کارشناسان افزایش تولید نانولوله ها در سال های آینده و کاهش قیمت این محصولات را پیش بینی می کنند. این امر به نوبه خود دامنه کاربرد نانولوله ها را افزایش داده و تقاضای مصرف کننده را در بازار افزایش می دهد.

نانولوله های کربنی (CNTs) یک ماده امیدوارکننده است که در طیف وسیعی از صنایع ، از تولید دوچرخه تا میکروالکترونیک ، مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال ، حتی نقض حداقل ساختار اتمی CNT ها منجر به کاهش قدرت آنها تا 50 می شود. این امر امکان ساخت آسانسور فضایی از مواد مبتنی بر نانولوله های کربنی را زیر سال می برد.

2015/10/16 ، آندری باراباش 29

گروهی از محققان دانشگاه استنفورد ممکن است به پیشرفت علمی دست یافته باشند که می تواند زندگی افراد قطع شده را تغییر دهد. دانشمندان جایگزینی مصنوعی برای پوست ایجاد کرده اند که می تواند لمس را حس کرده و این اطلاعات را به سیستم عصبی منتقل کند. از فناوری مشابهی می توان برای ایجاد پروتزهای آینده نگر استفاده کرد که در سیستم عصبی انسان تعبیه خواهند شد. علاوه بر این ، این فناوری به مردم امکان می دهد نه تنها لمس را احساس کنند ، بلکه قدرت خود را نیز تعیین کنند.