Вуглецеві нанотрубки: виробництво, застосування, властивості. Вуглецеві нанотрубки Карбонові нанотрубки

Третє стан вуглецю (крім алмазу і графіту) - революційно завойовує світ нових технологій.
Ось витяги з кількох статей (з посиланнями на них).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Багато з перспективних напрямків в матеріалознавстві, нанотехнології, наноелектроніки, прикладної хімії зв'язуються останнім часом з фулеренами, нанотрубками та іншими схожими структурами, які можна назвати загальним терміном вуглецеві каркасні структури. Що ж це таке?
Вуглецеві каркасні структури - це великі (а іноді і гігантські!) Молекули, що складаються виключно з атомів вуглецю. Можна навіть говорити, що вуглецеві каркасні структури - це нова аллотропная форма вуглецю (на додаток до давно відомим: алмазу і графіту). Головна особливість цих молекул - це їх каркасна форма: вони виглядають як замкнуті, порожні всередині "оболонки".
Нарешті, вражає різноманітність застосувань, які вже придумані для нанотрубок. Перше, що напрошується само собою, це застосування нанотрубок в якості дуже міцних мікроскопічних стержнів і ниток. Як показують результати експериментів і чисельного моделювання, модуль Юнга одношарової нанотрубки досягає величин порядку 1-5 ТПА, що на порядок більше, ніж у сталі! Правда, в даний час максимальна довжина нанотрубок складає десятки і сотні мікронів - що, звичайно, дуже велике по атомних масштабах, але занадто мало для повсякденного використання. Однак довжина нанотрубок, одержуваних в лабораторії, поступово збільшується - зараз учені вже впритул підійшли до міліметровому межі: див. Роботу, де описано синтез багатошарової нанотрубки довжиною в 2 мм. Тому є всі підстави сподіватися, що в недалекому майбутньому вчені навчаться вирощувати нанотрубки довжиною в сантиметри і навіть метри! Безумовно, це сильно вплине на майбутні технології: адже "трос" товщиною з людську волосину, здатний утримувати вантаж в сотні кілограм, знайде собі незліченну безліч застосувань.
Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним з основних матеріалів наноелектроніки. Вже зараз створені дослідні зразки польових транзисторів на основі однієї нанотрубки: прикладаючи що замикає напруга кількох вольт, вчені навчилися змінювати провідність одношарових нанотрубок на 5 порядків!
Розроблено вже і декілька застосувань нанотрубок в комп'ютерній індустрії. Наприклад, створені та випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускатися електрони, які потрапляють на фосфоресцирующий екран і викликають світіння пікселя. Виходять при цьому зерно зображення буде фантастично малим: порядку мікрона!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Спроба сфотографувати нанотрубки за допомогою звичайного фотоапарата зі спалахом привела до того, що блок нанотрубок при світлі спалаху видав гучний хлопок і, яскраво спалахнувши, вибухнув.
Приголомшені вчені стверджують, що несподівано відкритий феномен "вибухонебезпечності" трубок може знайти для цього матеріалу нові, зовсім несподівані застосування - аж до використання в якості детонаторів для підриву боєзарядів. А також, очевидно, поставить під сумнів або утруднить їх використання в окремих областях.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Відкривається перспектива для значного продовження ресурсу перезаряджати батарейок

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Вуглецеві нанотрубние структури - новий матеріалдля емісійної електроніки.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
Ще в 1996 р було виявлено, що окремі вуглецеві нанотрубки можуть мимовільно звиватися в канатики з 100- 500 волокон-трубочок, причому міцність цих канатиков виявилася більшою, ніж у алмазу. Точніше кажучи, вони в 10- 12 разів міцніше і в 6 разів легше стали. Ви тільки уявіть: нитка діаметром в 1 міліметр могла б витримати 20-тонний вантаж, в сотні мільярдів разів більший її власної ваги! Ось з таких-то ниточок і можна отримати надміцні троси великої довжини. З настільки ж легких і міцних матеріалів можна будувати і каркас ліфта - гігантську вежу висотою в три діаметра Землі. По ній і підуть на величезній швидкості пасажирські і вантажні кабіни - завдяки сверхпроводящим магнітів, які, знову ж таки, будуть підвішені на канатах з вуглецевих нанотрубок. Колосальний вантажопотік в космос дозволить почати активне освоєння інших планет.
Якщо когось зацікавив цей проект, подробиці (російською мовою), можна подивитися, наприклад, на сайті http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Тільки там немає ні слова про вуглецевих трубках.
А на http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt можна почитати роман Артура Кларка "Фонтани раю", який сам він вважав своїм найкращим твором.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
За оцінками фахівців, нанотехнології дозволять вже до 2007 року створити мікропроцесори, які будуть містити близько 1 мільярда транзисторів і зможуть працювати на частоті до 20 гігагерц при напрузі живлення менше 1 вольта.

нанотрубочного транзистор
Створено перший транзистор, що складається цілком з вуглецевих нанотрубок. Тим самим відкривається перспектива заміни звичних кремнієвих чіпів більш швидкими, дешевими і меншими за розміром компонентами.
Перший в світі нанотрубочного транзистор являє собою нанотрубку Y-подібної форми, яка поводиться подібно звичного транзистору - потенціал, прикладений до однієї з «ніжок», дозволяє управляти проходженням струму між двома іншими. При цьому вольт-амперна характеристика «нанотрубочного транзистора» практично ідеальна: ток або тече, чи ні.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Згідно з матеріалами статті, опублікованій 20 травня науковому журналі Applied Physics Letters, фахівці IBM вдосконалили транзистори на вуглецевих нанотрубках. В результаті експериментів з різними молекулярними структурами дослідники змогли досягти найвищої на сьогоднішній момент провідності для транзисторів на вуглецевих нанотрубках. Чим вище провідність, тим швидше працює транзистор і тим більш потужні інтегральні схеми можна побудувати на його основі. Крім того, дослідники виявили, що провідність транзисторів на вуглецевих нанотрубках більш ніж удвічі перевершує відповідний показник для найшвидших кремнієвих транзисторів того ж розміру.

http://kv.by/index2003323401.htm
Група професора Каліфорнійського університету в Берклі Алекса Зеттлом (Alex Zettl) зробила черговий прорив в області нанотехнологій. Вчені створили перший найменший наномасштабних моторчик на основі багатостінних нанотрубок, про що повідомляється в журналі "Nature" 24 липня. Вуглецева нанотрубка виконує свого роду роль осі, на якій монтується ротор. Максимальні розміри наномоторчіка близько 500 нм, ротор має довжину від 100 до 300 нм, а ось нанотрубка-вісь має в поперечнику розмір всього в декілька атомів, тобто приблизно 5-10 нм.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Днями бостонская компанія Nantero виступила із заявою про розробку плат пам'яті принципово нового зразка, створених на основі нанотехнологій. Nantero Inc. активно займається розробкою нових технологій, зокрема, приділяє чималу увагу пошуку способів створення незалежної оперативної пам'яті (RAM) на основі вуглецевих нанотрубок. У своєму виступі представник компанії оголосив про те, що вони знаходяться в кроці від створення плат пам'яті ємністю 10 Гб. У зв'язку з тим, що в основі будови пристрою лежать нанотрубки, нову пам'ять пропонується називати NRAM (Nonvolatile (незалежна) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Одним з результатів проведеного дослідження стало практичне використання видатних властивостей нанотрубок для вимірювання маси частинок вкрай малих розмірів. При розміщенні зважувати частки на кінці нанотрубки резонансна частота зменшується. Якщо нанотрубка калібрувати (тобто відома її пружність), можна по зсуву резонансної частоти визначити масу частинки.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
У числі перших комерційних застосувань буде додавання нанотрубок в фарби або пластмасу для додання цих матеріалів властивостей електропровідності. Це дозволить замінити в деяких виробах металеві деталі полімерними.
Вуглецеві нанотрубки - дорогий матеріал. Зараз CNI продає його за ціною 500 дол. За грам. До того ж технологія очищення вуглецевих нанотрубок - відділення хороших трубок від поганих - і спосіб введення нанотрубок в інші продукти потребують удосконалення. Для вирішення деяких завдань може знадобитися відкриття нобелівського рівня, стверджує Джошуа Вольф, керуючий партнер венчурної фірми Lux Capital, що спеціалізується на нанотехнології.

Дослідники зацікавилися вуглецевими нанотрубками через їх електропровідності, яка виявилася вище, ніж у всіх відомих провідників. Вони також мають прекрасну теплопровідність, стабільні хімічно, відрізняються надзвичайної механічною міцністю (в 1000 разів міцніше сталі) і, що найдивніше, набувають напівпровідникові властивості при скручуванні або згинанні. Для роботи їм надають форму кільця. Електронні властивості вуглецевих нанотрубок можуть бути як у металів або як у напівпровідників (в залежності від орієнтації вуглецевих багатокутників щодо осі трубки), тобто залежать від їх розміру і форми.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Металеві проводять струм нанотрубки можуть витримувати щільності струму в 102-103 рази вище, ніж звичайні метали, а напівпровідникові нанотрубки можна електрично вмикати і вимикати за допомогою поля, що генерується електродом, що дозволяє створювати польові транзистори.
Вчені з IBM розробили метод так званого "конструктивного руйнування", який дозволив їм зруйнувати всі металеві нанотрубки і при цьому залишити неушкодженими напівпровідникові.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Вуглецеві нанотрубки знайшли ще одне застосування в боротьбі за здоров'я людини - на цей раз китайські вчені використовували нанотрубки для очищення питної води від свинцю.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Ми регулярно пишемо про вуглецевих нанотрубках, однак насправді існують і інші типи нанотрубок, одержувані з різних напівпровідникових матеріалів. Вчені вміють вирощувати нанотрубки з точно заданою товщиною стінки, діаметром і довжиною.
Нанотрубки можуть бути використані в якості нанотрубопроводов для транспортування рідини, вони зможуть також грати роль наконечників для шприців з точно вивіреним кількістю нанокапель. Нанотрубки можуть застосовуватися як наносверла, нанопинцет, вістря для скануючих тунельних мікроскопів. Нанотрубки з досить товстими стінками і маленьким діаметром можуть служити підтримують опорами для нанооб'єктів, а нанотрубки з великим діаметром і тонкими стінками - виконувати роль наноконтейнер і нанокапсул. Нанотрубки із з'єднань на основі кремнію, включаючи карбід кремнію, особливо гарні для виготовлення механічних виробів, так як ці матеріали міцні і еластичні. Також твердотільні нанотрубки можуть знайти застосування в електроніці.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
Дослідницький підрозділ корпорації IBM повідомило про важливе досягнення в галузі нанотехнологій. Фахівцям IBM Research вдалося змусити світитися вуглецеві нанотрубки - надзвичайно перспективний матеріал, що лежить в основі багатьох нанотехнологічних розробок у всьому світі.
Світловипромінюючих нанотрубка має діаметр всього 1,4 нм, тобто в 50 тисяч разів тонше за людську волосину. Це саме мініатюрне в історії твердотельное світловипромінюючих пристрій. Його створення стало результатом програми вивчення електричних властивостей вуглецевих нанотрубок, що проводиться в IBM протягом декількох останніх років.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Крім уже згаданого вище дуже поки далекого від здійснення створення металевих нанодротів, популярна розробка так званих холодних емітерів на нанотрубках. Холодні емітери - ключовий елементплоского телевізора майбутнього, вони замінюють гарячі емітери сучасних електронно-променевих трубок, до того ж дозволяють позбутися від гігантських і небезпечних розгінних напруг 20-30 кВ. При кімнатній температурі нанотрубки здатні випускати електрони, виробляючи струм такої ж щільності, як і стандартний вольфрамовий анод при майже тисячі градусів, та ще й при напрузі всього 500 В. (А для отримання рентгенівських променівпотрібні десятки кіловольт і температура 1500 градусів (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Високі значення модуля пружності вуглецевих нанотрубок дозволяють створити композиційні матеріали, що забезпечують високу міцність при надвисоких пружних деформаціях. З такого матеріалу можна буде зробити надлегкі і надміцні тканини для одягу пожежників і космонавтів.
Для багатьох технологічних застосувань приваблива висока питома поверхня матеріалу нанотрубок. У процесі росту утворюються випадковим чином орієнтовані спіралеподібні нанотрубки, що призводить до утворення значної кількості порожнин і пустот нанометрового розміру. В результаті питома поверхня матеріалу нанотрубок досягає значень близько 600 м2 / г. Настільки висока питома поверхня відкриває можливість їх використання в фільтрах і інших апаратах хімічних технологій.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Нанокабель від Землі до Місяця з одиночної трубки можна було б намотати на котушку розміром з макове зернятко.
По своїй міцності нанотрубки перевершують сталь в 50-100 разів (хоча нанотрубки мають в шість разів меншу щільність). Модуль Юнга - характеристика опору матеріалу осьовому розтягу і стиску - у нанотрубок в середньому вдвічі вище, ніж у вуглецевих волокон. Трубки не тільки міцні, але й гнучкі, нагадують за своєю поведінкою не ламкі соломинки, а жорсткі гумові трубки.
Нитка діаметром 1 мм, що складається з нанотрубок, могла б витримати вантаж в 20 т, що в кілька сотень мільярдів разів більше її власної маси.
Міжнародна група вчених показала, що нанотрубки можна використовувати для створення штучних м'язів, які при однаковому обсязі можуть бути втричі сильніше біологічних, не бояться високих температур, вакууму і багатьох хімічних реагентів.
Нанотрубки - ідеальний матеріал для безпечного зберігання газів у внутрішніх порожнинах. В першу чергу це відноситься до водню, який давно стали б використовувати як паливо для автомобілів, якби громіздкі, товстостінні, важкі і небезпечні при поштовхах балони для зберігання водню позбавляли водень його головної переваги - великої кількостіенергі і, що виділяється на одиницю маси (на 500 км пробігу автомобіля потрібно всього близько 3 кг Н2). Заповнювати "бензобак" з нанотрубками можна було б стаціонарно під тиском, а витягувати паливо - невеликим підігріванням "бензобака". Щоб перевершити звичайні газові балони по масової та об'ємної щільності запасеної енергі і (маса водню, віднесена до його масі разом з оболонкою або до його об'єму разом з оболонкою), потрібні нанотрубки з порожнинами щодо великого діаметра - більше 2-3 нм.
Біологи зуміли ввести в порожнину нанотрубок невеликі протеїни і молекули ДНК. Це - і метод отримання каталізаторів нового типу, і в перспективі спосіб доставки біологічно активних молекулі ліків до тих чи інших органів.

вступ

Ще 15-20 років тому багато хто навіть і не замислювалися над можливою заміною кремнію. Мало хто міг припустити, що вже на початку двадцять першого століття між напівпровідниковими компаніями почнеться справжня «гонка нанометрів». Поступове зближення з наносвіту змушує задуматися, а що ж буде далі? Чи буде продовжено знаменитий закон Мура? Адже з переходом на більш тонкі виробничі нормиперед розробниками постають все більш складні завдання. Багато фахівців взагалі схильні вважати, що через десяток-другий років кремній наблизиться до фізично непереборної кордоні, коли створювати більш тонкі кремнієві структури вже буде неможливо.

Судячи з останніми дослідженнями, одними з найбільш ймовірних (але далеко не єдиних) кандидатів на посаду «кремніезаменітелей» є матеріали на основі вуглецю - вуглецеві нанотрубки і графен - які, імовірно, можуть стати основою наноелектроніки майбутнього. Про них ми і хотіли поговорити в цій статті. Вірніше, мова піде все-таки більше про нанотрубки, оскільки вони були отримані раніше і краще вивчені. Розробок, пов'язаних з графеном поки набагато менше, але це ні трохи не применшує його гідності. Частина дослідників вважають, що графен є більш перспективним матеріалом, ніж вуглецеві нанотрубки, тому про нього ми сьогодні також скажімо пару слів. Тим більше, деякі досягнення дослідників, які відбулися зовсім недавно, надають трохи оптимізму.

Взагалі-то, охопити всі досягнення в цих активно розвиваються областях в рамках однієї статті дуже непросто, тому зупинимося лише на ключових подіях останніх місяців. Мета статті - коротко познайомити читачів з найважливішими і найбільш цікавими останніми досягненнями в області «вуглецевої» наноелектроніки та перспективними сферами її застосування. Для тих, хто зацікавиться, знайти безліч більш детальної інформації по цій темі не повинно скласти праці (особливо, зі знанням англійської мови).

вуглецеві нанотрубки

Після того, як до традиційних трьох алотропна формам вуглецю (графіту, алмазу і карбін) додалася ще одна (фулерени), протягом кількох наступних років з дослідницьких лабораторій шквалом посипалися повідомлення про відкриття та вивчення різноманітних структур на основі вуглецю з цікавими властивостями, таких як нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсні матеріали та ін.

В першу чергу нас цікавлять вуглецеві нанотрубки - порожнисті довгасті циліндричні структури діаметром близько від одиниць до десятків нанометрів (довжина традиційних нанотрубок обчислюється мікронами, хоча в лабораторіях вже отримують структури довжиною близько міліметрів і навіть сантиметрів). Ці наноструктури можна представити таким чином: просто беремо смужку графітовоїплощині і звертаємо її в циліндр. Звичайно, це лише образне уявлення. Насправді ж безпосередньо отримати графітову площину і скрутити її «в трубочку» не представляється можливим. Методи одержання вуглецевих нанотрубок є досить складною і об'ємною технічною проблемою, і їх розгляд виходить за рамки даної статті.

Вуглецеві нанотрубки характеризуються великою різноманітністю форм. Наприклад, вони можуть бути одностінними або багатостінних (одношаровими або багатошаровими), прямими або спіральними, довгими і короткими, і т. Д. Що важливо, нанотрубки виявилися надзвичайно міцними на розтягнення і на вигин. Під впливом високих механічних напруг нанотрубки не рвуться, не ламаються, а просто перебудовується їх структура. До речі, якщо вже зайшла мова про міцність нанотрубок, цікаво відзначити одне з останніх досліджень природи цієї властивості.

Дослідники з Університету Райса (Rice University) під керівництвом Бориса Якобсона встановили, що вуглецеві нанотрубки поводяться як «розумні самовідтворюваними структури» (дослідження було опубліковано 16 лютого 2007 року в журналі Physical Review Letters). Так, при критичному механічному впливі і деформаціях, викликаних змінами температури або радіоактивним випромінюванням, нанотрубки вміють самі себе «ремонтувати». Виявляється, крім 6-вуглецевих осередків в нанотрубках також присутні п'яти- і семіатомние кластери. Ці 5/7-атомні осередку виявляють незвичайну поведінку, циклічно пересуваючись уздовж поверхні вуглецевої нанотрубки, як пароплави по морю. При виникненні пошкодження в місці дефекту ці осередки беруть участь в «загоєнні рани», перерозподіляючи енергію.

Крім того, нанотрубки демонструють безліч несподіваних електричних, магнітних, оптичних властивостей, які вже стали об'єктами ряду досліджень. Особливістю вуглецевих нанотрубок є їх електропровідність, яка виявилася вище, ніж у всіх відомих провідників. Вони також мають прекрасну теплопровідність, стабільні хімічно і, що найцікавіше, можуть набувати напівпровідникові властивості. За електронним властивостям вуглецеві нанотрубки можуть вести себе як метали, або як напівпровідники, що визначається орієнтацією вуглецевих багатокутників щодо осі трубки.

Нанотрубки схильні міцно злипатися між собою, формуючи набори, що складаються з металевих і напівпровідникових нанотрубок. До сих пір важким завданням є синтез масиву з тільки напівпровідникових нанотрубок або сепарація (відділення) напівпровідникових від металевих. З новітніми способами вирішення цієї проблеми ми познайомимося далі.

Графен

Графен, в порівнянні з вуглецевими нанотрубками, був отриманий набагато пізніше. Можливо, цим пояснюється той факт, що про графені в новинах ми чуємо поки що набагато рідше, ніж про вуглецевих нанотрубках, так як він слабкіше вивчений. Але це аж ніяк не применшує його достоїнств. До речі, пару тижнів тому графен виявився в центрі уваги в наукових колах, завдяки новій розробці дослідників. Але про це трохи пізніше, а зараз трохи історії.

У жовтні 2004 року інформаційний ресурс BBC News повідомив про те, що професор Андре Гейм (Andre Geim) зі своїми колегами з Манчестерського Університету (Великобританія) спільно з групою доктора Новосьолова (Черноголовка, Росія) зуміли отримати матеріал товщиною в один атом вуглецю. Названий графеном, він являє собою двомірну плоску молекулу вуглецю товщиною в один атом. Вперше в світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.

Тоді ж Гейм і його командою був запропонований так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен дозволить створювати транзистори і інші напівпровідникові прилади з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Зменшення довжини каналу транзистора призводить до зміни його властивостей. У наносвіті посилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються по каналу як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень і, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.

Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найбільш перспективних матеріалів для наноелектроніки. Оскільки з моменту отримання графена не минуло й трьох років, його властивості поки вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів уже є.

Останні «вуглецеві» досягнення

Так як ми спочатку познайомилися з вуглецевими нанотрубками (хронологічно вони були отримані першими), то в цій частині статті також почнемо з них. Ймовірно, у Вас може виникнути питання такого змісту: якщо вуглецеві нанотрубки настільки гарні і перспективні, так чому ж досі вони не впроваджені в масове виробництво?

Одна з головних проблем вже згадувалася на початку статті. Спосіб синтезу масиву, що складається тільки з нанотрубок з певними властивостями, формою і габаритами, який зміг би бути впроваджений в масове виробництво, на даний момент поки не створено. Більша увага приділяється сортуванні «змішаного» масиву, що складається з нанотрубок з напівпровідниковими і металевими властивостями (не менш важливою є також сортування по довжині і діаметру). Тут доречно згадати одну з перших розробок в цій області, яка належить компанії IBM, після якої перейдемо до останніх досягнень.

В роботі, датованій квітнем 2001 року, «Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown», повідомляється, що дослідники компанії IBM вперше побудували транзистор на основі вуглецевих нанотрубок, що мають діаметр в 1 нанометр, і довжиною близько одиниць мікрон. Увага акцентувалася на тому, що їм вдалося знайти спосіб, що дозволяє в перспективі зробити таке виробництво масовим.

Вчені з IBM розробили метод, який дозволив їм руйнувати все металеві нанотрубки і при цьому залишити неушкодженими напівпровідникові. На першому етапі масив нанотрубок поміщають на підкладку діоксиду кремнію. Далі поверх нанотрубок формуються електроди. Кремнієва підкладка відіграє роль нижнього електрода і сприяє замикання напівпровідникових нанотрубок. Далі подається надмірне напруження. В результаті «незахищені» нанотрубки з металевими властивостями руйнуються, а напівпровідникові залишаються цілими і неушкодженими.

Але це все просто на словах, а в реальності сам процес виглядає куди складніше. Повідомлялося про плани довести розробку до розуму вже через 3-4 роки (т. Е. До 2004/2005 році), але, як бачимо, повідомлень про впровадження даної технології поки не надходило.

Тепер перейдемо до сучасності, а саме - кінця осені минулого року. Тоді сайт Technology Review повідомив про новий метод сортування вуглецевих нанотрубок, який розробили дослідники Північно-Західного Університету (Northwestern University). Крім сепарації на основі провідних властивостей, цей метод також дозволяє сортувати нанотрубки по їх діаметру.

Цікаво, що спочатку ставили за мету проводити сортування тільки по діаметру, а можливість сортувати і по електричної провідності виявилася несподіванкою для самих дослідників. Професор хімії Монреальського Університету (Монреаль, Канада) Річард Мартел (Richard Martel) зазначив, що новий метод сортування можна назвати великим проривом в цій області.

В основу нового методу сортування лягло ультрацентрифугирование (ultracentrifugation), яке передбачає обертання матеріалу з величезними швидкостями до 64 тис. Обертів на хвилину. Перед цим на масив нанотрубок наноситься поверхнево-активна речовина, яка після ультрацентрифугирования розподіляється нерівномірно відповідно до діаметра застосованого і електропровідністю нанотрубок. Один з тих, хто тісно ознайомився з новим методом, професор університету Флориди (University of Florida at Gainesville) Ендрю Райнцлер (Andrew Rinzler) повідомив, що запропонований метод сортування дозволить отримати масив з концентрацією напівпровідникових трубок 99% і вище.

Нова технологія вже була задіяна в експериментальних цілях. За допомогою відсортованих напівпровідникових нанотрубок були створені транзистори з відносно простою структурою, які можуть використовуватися для контролю пікселів в панелях моніторів і телевізорів.

До речі, на відміну від методу IBM, коли металеві нанотрубки просто руйнувалися, дослідники Північно-Західного університету за допомогою ультрацентрифугирования можуть отримувати і металеві нанотрубки, які також можуть знайти застосування в електронних пристроях. Наприклад, вони можуть використовуватися як прозорі електроди в деяких типах дисплеїв і органічних осередках сонячних батарей.

Не будемо заглиблюватися в інші проблеми, які перешкоджають впровадженню нанотрубок, такі як технологічні труднощі інтеграції в серійні електронні пристрої, А також значні втрати енергії в місцях з'єднання металу з нанотрубками, що обумовлено високим опором контакту. Швидше за все, розкриття цих серйозних тем здасться малоцікавим і занадто складним для пересічного читача, до того ж може зайняти кілька сторінок.

Що стосується графена, розгляд досягнень в цій області, мабуть, почнемо з весни минулого року. У квітні 2006 в журналі Science Express з'явилася публікація фундаментального дослідження властивостей графену, проведеного групою вчених з технологічного ІнститутуДжорджії (Georgia Institute of Technology (GIT), США) і Національного центру наукових дослідженьФранції (Centre National de la Recherche Scientifique).

Перший важливий теза роботи: електронні схеми на основі графена можна виробляти традиційним обладнанням, яке використовується в напівпровідниковій промисловості. Професор інституту GIT Вальт де хір (Walt de Heer) коротко окреслив успіх дослідження так: «Ми показали, що можемо створювати графеновий матеріал,« вирізати »графенові структури, а також те, що графен має відмінні електричні властивості. Цей матеріал характеризується високою рухливістю електронів ».

Багато вчених і самі дослідники говорять про те, що вони заклали фундамент (базу) графеновой електроніки. Відзначається, що вуглецеві нанотрубки є лише першою сходинкою до світу наноелектроніки. В майбутньому ж електроніки Вальт де хір і його колеги бачать саме графен. Примітно, що дослідження підтримуються компанією Intel, а грошей на вітер вона не кидає.

Тепер коротко опишемо метод отримання графена і графенових мікросхем, запропонований Вальт де Хіромі і його колегами. Нагріваючи підкладку карбіду кремнію в високому вакуумі, вчені змушують атоми кремнію покинути підкладку, в результаті чого залишається тільки тонкий шар атомів вуглецю (графен). На наступному етапі вони завдають Фоторезістівний матеріал (фоторезист) і застосовують традиційну електронно-променеву літографію для витравлювання необхідних «візерунків», тобто використовують повсюдно застосовуються зараз виробничі технології. Це і є суттєвою перевагою графена перед нанотрубками.

В результаті вченим вдалося витравляти 80-нм наноструктури. Таким способом було створено графеновий польовий транзистор. Серйозним недоліком можна назвати великі струми витоку створеного приладу, хоча вчених тоді це анітрохи не засмутило. Вони вважали, що на початковому етапі це цілком нормальне явище. Крім того, було створено цілком працездатний пристрій квантової інтерференції, яке можна застосовувати для управління електронними хвилями.

З весни минулого року гучних досягнень подібно квітневої розробці не спостерігалося. По крайней мере, вони не з'являлися на сторінках інтернет-сайтів. А ось лютий цього року відзначився відразу кількома подіями і знову змусив задуматися про «графенових перспективи».

На початку минулого місяця свою розробку представила компанія AMO (AMO nanoelectronics group) в рамках проекту ALEGRA. Інженерам AMO вдалося створити графеновий транзистор з верхнім затвором (top-gated transistor), що робить їх структуру схожою з сучасними кремнієвими польовими транзисторами (MOSFET). Що цікаво, графеновий транзистор був створений за допомогою традиційної виробничої КМОП-технології.

На відміну від польових МОП-транзисторів (МОП - метал-оксид-напівпровідник) графенові транзистори, створені інженерами AMO, характеризуються більш високою рухливістю електронів і швидкістю перемикання. На жаль, на даний момент деталі розробки не розголошуються. Перші подробиці будуть опубліковані в квітні цього року в журналі IEEE Electron Device Letters.

Тепер переходимо до ще однієї «свіжої» розробки - графенових транзистору, що працює як одноелектронний напівпровідниковий прилад. Цікаво, що творцями цього пристрою є вже відомі нам професор Гейм, російський вчений Костянтин Новосьолов та інші.

Цей транзистор має області, в яких електричний заряд стає квантованим. При цьому спостерігається ефект кулоновской блокади (при переході електрона з'являється напруга, що перешкоджає руху наступних частинок, він своїм зарядом відштовхує побратимів. Це явище і було названо кулоновской блокадою. Через блокаду черговий електрон пройде тільки тоді, коли попередній віддалиться від переходу. Таким чином , частки зможуть «перескакувати» тільки через певні проміжки часу). В результаті по каналу транзистора, що має ширину всього кілька нанометрів, може проходити тільки один електрон. Тобто з'являється можливість управляти напівпровідникових приладів за все одним електроном.

Можливість управляти окремо взятими електронами відкриває нові можливості перед творцями електронних схем. В результаті можна істотно знизити напругу затвора. Пристрої на базі одноелектронних графенових транзисторів будуть відрізнятися високою чутливістю і відмінними швидкісними показниками. Звичайно, на порядок зменшаться і габарити. Що важливо, подолана серйозна проблема, характерна для досвідченого зразка графенового транзистора Вальт де Хіра, - великі струми витоку.

Хочеться відзначити, що одноелектронні прилади раніше вже створювали з використанням традиційного кремнію. Але проблема в тому, що більшість з них може працювати тільки при дуже низьких температурах (хоча вже є зразки, що працюють і при кімнатній температурі, але вони набагато більші графенових транзисторів). Дітище Гейма і його колег спокійно може працювати при кімнатній температурі.

Перспективи застосування вуглецевих наноматеріалів

Швидше за все, ця частина статті виявиться найбільш цікавою читачам. Адже теорія це одне, а втілення досягнень науки в реальних корисних людині пристроях, нехай навіть прототипах, має зацікавити споживача. Взагалі кажучи, можлива сфера застосування вуглецевих нанотрубок і графена досить різноманітна, але нас в першу чергу цікавить світ електроніки. Відразу хочеться відзначити, що графен є більш «молодим» вуглецевим матеріалом і поки знаходиться тільки на початку шляху досліджень, тому в цій частині статті основна увага буде приділена пристроям і технологій на базі вуглецевих нанотрубок.

дисплеї

Застосування вуглецевих нанотрубок в дисплеях тісно пов'язане з технологією FED (Field Emission Display), яка була розроблена французькою компанією LETI і вперше представлена ​​в далекому 1991 році. На відміну від ЕЛТ, де застосовується до трьох так званих «гарячих» катодів, в FED-дисплеях спочатку застосовувалася матриця з безлічі «холодних» катодів. Як виявилося, занадто високий відсоток браку зробив FED-дисплеї неконкурентоспроможними. До того ж в 1997-1998 роках намітилася тенденція до суттєвого здешевлення рідкокристалічних панелей, що, як тоді здавалося, не залишало жодних шансів технології FED.

Дітище компанії LETI отримало «друге дихання» до кінця минулого століття, коли з'явилися перші дослідження FED-дисплеїв, в яких в якості катодів було запропоновано використовувати масиви вуглецевих нанотрубок. Ряд великих виробників проявили інтерес до дисплеям на базі вуглецевих нанотрубок, серед яких добре відомі кожному компанії Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer і інші. На ілюстрації ви бачите один з варіантів реалізації FED-дисплеїв на вуглецевих нанотрубках SDNT (small diameter carbon nanotubes, вуглецеві нанотрубки малого діаметра).

Відзначається, що FED-дисплеї на вуглецевих нанотрубках можуть змагатися з сучасними панелями з великою діагоналлю і в майбутньому складуть серйозну конкуренцію в першу чергу плазмових панелей (саме вони зараз панують в секторі зі надвеликими діагоналями). Найголовніше, що вуглецеві нанотрубки дозволять істотно здешевити виробництво FED-дисплеїв.

З останніх новин світу нанотрубочних FED-дисплеїв варто згадати недавнє повідомлення компанії Motorola про те, що її розробки практично готові покинути стіни дослідницьких лабораторій і перейти в стадію серійного виробництва. Цікаво, що Motorola не планує будувати власні заводи для виробництва нанотрубочних дисплеїв і в даний момент веде ліцензійні переговори з декількома виробниками. Керівник дослідницьких і досвідчених підрозділів компанії Motorola Джеймс Джеско (James Jaskie) зазначив, що дві азіатських компанії вже будують заводи для виробництва дисплеїв на базі вуглецевих нанотрубок. Так що нанотрубочного дисплеї не таке вже далеке майбутнє, і їх пора вже сприймати всерйоз.

Однією з важких завдань, які постали перед інженерами Motorola, було створення низькотемпературного методу отримання вуглецевих нанотрубок на підкладці (щоб не розплавити скляну підкладку). І цей технологічний бар'єр вже подолано. Також повідомляється про успішне завершення розробки методів сортування нанотрубок, що для багатьох компаній, що працюють в цій галузі, стало «непереборною перешкодою».

Директор DiplaySearch Стів Юрічіч (Steve Jurichich) вважає, що передчасно радіти компанії Motorola поки рано. Адже попереду ще завоювання ринку, де місце «під сонцем» вже зайняли виробники рідкокристалічних і плазмових панелей. Не варто забувати і про інші перспективні технології, таких як OLED (дисплеї на органічних світлодіодах), QD-LED (quantum-dot LED, різновид дисплеїв на світлодіодах з використанням так званих квантових точок, розроблені американською компанією QD Vision). До того ж в перспективі жорстку конкуренцію Motorola можуть скласти компанія Samsung Electronics і спільний проект по впровадженню нанотрубочних дисплеїв Canon і Toshiba (до речі, вони планують почати поставки перших нанотрубочних дисплеїв до кінця поточного року).

Вуглецеві нанотрубки знайшли застосування не тільки в FED-дисплеях. Дослідники лабораторії Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (провінція Квебек, Канада) запропонували використовувати в якості електродів для OLED-дисплеїв матеріал на основі одностінних вуглецевих нанотрубок. Як повідомляє сайт Nano Technology World, нова технологія дозволить створювати дуже тонку електронний папір. Завдяки високій міцності нанотрубок і надзвичайно малій товщині матриці електродів, OLED-дисплеї можуть бути дуже гнучкими, а також мати високий ступінь прозорості.

пам'ять

Перш ніж почати розповідь про найцікавіші «вуглецевих» розробках в області пам'яті хочеться відзначити, що дослідження технологій зберігання інформації в цілому є одним з найбільш активно розвиваються, у даний час. Нещодавно пройшли виставки Consumer Electronic Show (Лас-Вегас) і ганноверская CeBIT показали, що інтерес до різноманітних накопичувачів, системам зберігання даних з часом не вщухає, а лише зростає. І це не дивно. Тільки вдумайтеся: за даними аналітичної організації IDC, в 2006 році було створене близько 161 млрд. Гігабайт інформації (161 екзабайт), що в десятки разів перевищує показники минулих років!

За минулий 2006 рік залишалося тільки дивуватися винахідницьким ідеям вчених. Чого ми тільки не бачили: і пам'ять на золотих наночастицах, і пам'ять на базі надпровідників, і навіть пам'ять ... на віруси і бактерії! Останнім часом все частіше в новинах згадуються такі технології незалежної пам'яті, як MRAM, FRAM, PRAM і інші, які є вже не тільки «паперовими» експонатами або демонстраційними прототипами, а цілком працездатними пристроями. Так що технології пам'яті на основі вуглецевих нанотрубок є лише невеликою часткою досліджень, присвячених збереженню інформації.

Мабуть, почнемо нашу розповідь про «нанотрубочной» пам'яті з розробок компанії Nantero, що вже стала досить відомою в своїй області. Все почалося з далекого 2001 року, коли в молоду компанію було залучено великі інвестиції, що дозволили розпочати активні розробки нового типу незалежній пам'яті NRAM на базі вуглецевих нанотрубок. У минулому році ми бачили кілька серйозних розробок Nantero. У квітні 2006 компанія повідомила про створення перемикача пам'яті типу NRAM, виробленого по 22-нм нормам. Крім фірмових розробок Nantero, до створення нового пристрою були залучені існуючі виробничі технології. У травні того ж року її технологія створення пристроїв на базі вуглецевих нанотрубок була успішна інтегрірована.в КМОП-виробництво на обладнанні компанії LSI Logic Corporation (на фабриці компанії ON Semiconductor).

В кінці 2006 року відбулося знаменна подія. Компанія Nantero повідомила про подолання всіх основних технологічних бар'єрів, що перешкоджають масового виробництва чіпів на базі вуглецевих нанотрубок з використанням традиційного обладнання. Розроблено спосіб нанесення нанотрубок на кремнієву підкладку з використанням такого відомого методу, як spin-coating, після чого застосовуються традиційні для напівпровідникового виробництва літографія і травлення. Одним з достоїнств NRAM-пам'яті називаються високі швидкості читання / запису.

Втім, заглиблюватися в технологічні тонкощі не будемо. Зазначу лише, що подібного роду досягнення дають всі підстави Nantero розраховувати на успіх. Якщо інженерам компанії вдасться довести розробку до логічного кінця і виробництво чіпів NRAM буде не дуже дорогим (а можливість застосування існуючого обладнання дає право сподіватися на це), то ми станемо свідками появи нового грізного зброї на ринку пам'яті, яке може серйозно потіснити існуючі типи пам'яті, включаючи SRAM, DRAM, NAND, NOR і т.д.

Як і в багатьох інших областях науки і техніки, дослідженнями пам'яті на вуглецевих нанотрубках займаються не тільки комерційні компанії, такі як Nantero, а й лабораторії провідних навчальних закладів світу. Серед цікавих робіт, присвячених «вуглецевої» пам'яті, хочеться відзначити розробку співробітників гонконгського політехнічного університету (Hong- Kong Polytechnic University), опубліковану в квітні минулого року на сторінках онлайн-видання Applied Physics Letters.

На відміну від багатьох подібних розробок, що функціонують лише при дуже низьких температурах, пристрій, створене фізиками Джайеном Даємо (Jiyan Dai) і Лу (X. B. Lu), може працювати і при кімнатній температурі. Незалежна пам'ять, створена гонконзькими дослідниками, не така швидка, як NRAM компанії Nantero, тому перспектива зрушити з трону DRAM їй, швидше за все, не вдасться. А ось як потенційну заміну традиційної флеш-пам'яті її розглядати можна.

Для того, щоб зрозуміти в загальних рисах принцип функціонування цієї пам'яті, досить поглянути на наведену нижче ілюстрацію (b). Вуглецеві нанотрубки (CNT, carbon nanotubes) грають роль шару для зберігання (запам'ятовування) заряду. Вони як би затиснуті між двома шарами HfAlO (що складаються з гафнію, алюмінію і кисню), які грають роль керуючого затвора і шару окису. Вся ця структура розміщується на кремнієвій підкладці.

Досить оригінальне рішення запропонували корейські вчені Йон Он Кан (Jeong Won Kang) і Кін Янь (Qing Jiang). Їм вдалося розробити пам'ять на базі так званих телескопічних нанотрубок. Принцип, покладений в основу нової розробки, був відкритий ще в 2002 році і був описаний в роботі «Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators». Її авторам вдалося встановити, що нанотрубка з вкладеною в неї інший нанотрубки меншого діаметра утворюють осцилятор, що досягає частоти коливань порядку гігагерц.

Висока швидкість ковзання нанотрубок, вкладених в інші нанотрубки, обумовлює швидкодію нового типу пам'яті. Йон Он Кан і Кін Янь стверджують, що їх розробка може застосовуватися не тільки як флеш-пам'ять, а й в ролі швидкодіючого ОЗУ. Принцип роботи пам'яті легко зрозуміти виходячи з малюнка.

Як бачите, пара вкладених одна в іншу нанотрубок поміщаються між двома електродами. При подачі заряду на один з електродів внутрішня нанотрубка переміщається в ту чи іншу сторону під дією сил Ван-дер-Ваальса. Цією розробці притаманний один суттєвий недолік: зразок такої пам'яті може працювати тільки при дуже низьких температурах. Втім, вчені впевнені, що ці проблеми тимчасові і їх можна буде подолати на наступних етапах досліджень.

Цілком природно, багато розробки так і залишаться мертвонародженими. Адже одна справа прототип, що працює в лабораторних умовах, а на шляху до комерціалізації технології завжди лежить безліч труднощів, і не тільки чисто технічних, а й матеріальних. У будь-якому випадку, існуючі роботи вселяють певний оптимізм і досить пізнавальними.

Процесори

Тепер помріємо про те, яке вуглецеве майбутнє може чекати процесори. Гіганти процесорної індустрії активно шукають нові способи продовження закону Гордона Мура, і з кожним роком їм стає все важче. Зменшення розмірів напівпровідникових елементів і величезна щільність розміщення їх на кристалі кожен раз ставить дуже складну задачу зменшення струмів витоку. Основними напрямками вирішення подібних проблем є пошук нових матеріалів для використання в напівпровідникових приладах і зміна самої їх структури.

Як Ви, напевно, знаєте, недавно компанії IBM і Intel майже одночасно повідомили про застосування нових матеріалів для створення транзисторів, які будуть використовуватися в процесорах наступного покоління. Як подзатворного діелектрика замість діоксиду кремнію були запропоновані матеріали з високим значенням діелектричної постійної (high-k) на базі гафнію. При створенні електрода затвора кремній буде витіснений металевими сплавами.

Як бачимо, вже сьогодні спостерігається поступове заміщення кремнію і матеріалів на його основі більш перспективними сполуками. Багато компаній вже давно замислюються над заміною кремнію. Одними з найбільших спонсорів дослідних проектівв області вуглецевих нанотрубок і графена є компанії IBM і Intel.

В кінці березня минулого року група дослідників компанії IBM і двох університетів Флориди і Нью-Йорка повідомили про створення першої закінченої електронної інтегральної схеми на базі всього однієї вуглецевої нанотрубки. Ця схема має товщину в п'ять разів меншу за діаметр людської волосини і може спостерігатися тільки через потужний електронний мікроскоп.

Дослідники IBM зуміли досягти швидкостей, майже в мільйон разів перевищують отримані раніше на схемах з безліччю нанотрубок. Хоча ці швидкості все ще нижче тих, на яких працюють сучасні кремнієві чіпи, вчені IBM впевнені, що нові нанотехнологические процеси в кінцевому рахунку дозволять розкрити колосальні потенційні можливості електроніки вуглецевих нанотрубок.

Як зазначив професор Жорж Аппенцеллер (Joerg Appenzeller), створений дослідниками кільцевої генератор на основі нанотрубки є прекрасним засобомдля вивчення характеристик вуглецевих електронних елементів. До ольцевой генератор - схема, на якій виробники мікросхем зазвичай перевіряють можливості нових виробничих процесів або матеріалів. Ця схема допомагає передбачати, як нові технології поведуть себе в закінчених виробах.

Порівняно давно веде свої дослідження щодо можливого застосування вуглецевих нанотрубок в процесорах і компанія Intel. Згадати про те, що Intel не байдужа до нанотрубок, змусило недавнє захід Symposium for the American Vacuum Society, на якому активно обговорювалися останні досягнення компанії в цій області.

До речі, вже розроблений прототип чіпа, де в якості межсоединений використовуються вуглецеві нанотрубки. Як відомо. перехід на більш прецизійні норми тягне за собою збільшення електричних опорів з'єднувальних провідників В кінці 90-х років виробники мікросхем перейшли на використання мідних провідників замість алюмінієвих. Але вже в останні роки навіть мідь перестає задовольняти виробників процесорів, і поступово вони готують їй заміну.

Одним з перспективних напрямків бачиться застосування саме вуглецевих нанотрубок. До речі, як ми вже згадували на початку статті, вуглецеві нанотрубки не тільки мають кращу в порівнянні з металами провідність, але і можуть грати роль напівпровідників. Таким чином, реальною бачиться можливість в майбутньому повністю витіснити кремній в процесорах і інших мікросхемах і створювати чіпи, зроблені цілком з вуглецевих нанотрубок.

З іншого боку, «ховати» кремній теж поки рано. По-перше, повне витіснення кремнію вуглецевими нанотрубками в мікросхемах навряд чи станеться в найближче десятиліття. І це відзначають самі автори успішних розробок. По-друге, перспективи у кремнію також є. Крім вуглецевих нанотрубок, кремній також має шанси забезпечити собі майбутнє в наноелектроніки - у вигляді кремнієвих нанодротів, нанотрубок, наноточек та інших структур, які також є предметом вивчення у багатьох дослідницьких лабораторіях.

Післямова

На закінчення хочеться додати, що цією статтею вдалося охопити лише дуже малу частину того, що зараз твориться в області вуглецевого наноелектроніки. Світлі голови продовжують винаходити витончені технології, частина з яких, можливо, стане фундаментом електроніки майбутнього. Дехто схильний вважати, що нанороботи, прозорі дисплеї, телевізори, які можна скрутити в тонку трубочку, і інші дивовижні пристрої залишаються фантастикою і втіляться в реальність тільки в дуже далекому майбутньому. Але ряд вражаючих досліджень вже сьогодні змушують задуматися про те, що все це не такі вже й далекі перспективи.

До того ж, крім розглянутих в даній статті вуглецевих нанотрубок і графена дивовижні відкриття відбуваються в молекулярній електроніці. Цікаві дослідження ведуться в області зв'язку біологічного і кремнієвого світів. Перспектив розвитку комп'ютерної індустрії багато. І передбачити, що буде через 10-15 років, напевно, не візьметься ніхто. Очевидно одне: попереду нас чекає ще безліч захоплюючих відкриттів і вражаючих пристроїв.

Джерела інформації, що використовувалися при написанні статті

• [Email protected] ()
• 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. Firsov. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films»
• K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A.K. Geim «Two-dimensional atomic crystals»
• Quanshui Zheng, Qing Jiang. «Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators»

Фізичний факультет

Кафедра фізики напівпровідників і оптоелектроніки

С. М. Планкін

«Вуглецеві нанотрубки»

Опис лабораторної роботи за курсом

«Матеріали і методи нанотехнології»

Нижній Новгород 2006 р

Мета даної роботи: ознайомитися з властивостями, структурою і технологією отримання вуглецевих нанотрубок і вивчити їх структуру методом просвічує електронної мікроскопії.

1. Введення

До 1985 року про вуглець було відомо, що він може існувати в природі в двох аллотропних станах: 3D формі (структура алмазу) і шаруватої 2D формі (структура графіту). У графіті кожен шар сформований з сітки Гексагон з відстанню між найближчими сусідами d c - c = 0.142 нм. Шари розташовуються в авав ... послідовності (рис. 1), де атоми I - лежать безпосередньо над атомами в суміжних площинах, а атоми II - над центрами Гексагон в суміжних областях. Результуюча кристалографічна структура показана на рис 1а, де a 1 і a 2 - одиничні вектори в графітової площині, з - одиничний вектор, перпендикулярний гексагональної площині. Відстань між площинами в решітці одно 0.337 нм.

Мал. 1. (а) Кристалографічна структура графіту. Решітка визначається одиничними векторами a 1, a 2 і с. (Б) Відповідна зона Брілюена.

Через те, що відстань між шарами більше, ніж відстань в Гексагон, графіт може бути апроксимувати як 2D матеріал. Розрахунок зонної структури показує виродження зон в точці К в зоні Брілюена (див. Рис. 1б). Це викликає особливий інтерес, у зв'язку з тим, що рівень Фермі перетинає цю точку виродження, що характеризує цей матеріал як напівпровідник з зникаючої енергетичної щілиною при Т → 0. Якщо при розрахунках враховувати міжплощинні взаємодії, то в зонної структурі відбувається перехід від напівпровідника до напівметал через перекриття енергетичних зон.

У 1985 р Харольдом Крото і Річардом Смоли були відкриті фулерени - 0D форма, що складається з 60 атомів вуглецю. Це відкриття було удостоєне в 1996 р Нобелівської преміїз хімії. У 1991 р Ііжіма виявив нову 1D форму вуглецю - довгасті трубчасті вуглецеві освіти, названі «нанотрубками». Розробка Кретчмером і Хаффманом технології їх отримання в макроскопічних кількостях поклала початок систематичним дослідженням поверхневих структур вуглецю. Основним елементом таких структур є графітовий шар - поверхня, викладена правильними п'яти-шести-і семикутник (Пентагон, шестикутник і гептагонамі) з атомами вуглецю, розташованими в вершинах. У разі фулеренів така поверхня має замкнуту сферичну або сфероїдальну форму (рис.2), кожен атом пов'язаний з 3 сусідами і зв'язок - sp 2. Найбільш поширена молекула фулерену С 60 складається з 20 Гексагон і 12 Пентагон. Її поперечний розмір - 0.714нм. При певних умовах молекули С 60 можуть упорядочиваться і утворювати молекулярні кристали. При певних умовах при кімнатній температурі молекули С 60 можуть упорядочиваться і утворювати молекулярні кристали червоного кольору з гранецентрированной кубічної гратами, параметр якої дорівнює 1,41 нм.

Рис.2. Молекула З 60.

2. Структура вуглецевих нанотрубок

2.1 Кут хиральности і діаметр нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки представляють собою протяжні структури, що складаються з згорнутих в одношарову (ОСНТ) або багатошарову (МСНТ) трубку графітових шарів. Відомий найменший діаметр нанотрубки - 0.714 нм, що є діаметром молекули фулерену С 60. Відстань між шарами практично завжди становить 0,34 нм, що відповідає відстані між шарами в графіті. Довжина таких утворень досягає десятків мікрон і на кілька порядків перевищує їх діаметр (рис. 3). Нанотрубки можуть бути відкритими або закінчуватися напівсферами, що нагадують половину молекули фулерену.

Властивості нанотрубки визначаються кутом орієнтації графітової площині щодо осі трубки. На рис.3 наведено дві можливі високосімметрічние структури нанотруб - зігзальние (zigzag) і крісельні (armchair). Але на практиці більшість нанотруб не володіє такими високосімметрічнимі формами, тобто в них гексагон закручуються по спіралі навколо осі труби. Ці структури називають хіральними.

Рис.3. Ідеалізовані моделі одношарових нанотрубок з зігзагной (а) і крісельної (б) орієнтаціями.

Мал. 4. Вуглецеві нанотрубки утворюються при скручуванні графітових площин в циліндр, поєднуючи точку А з А ". Кут хиральности визначається як q - (а). Трубка типу« крісло », з h = (4,4) - (б). Крок Р залежить від кута q - (с).

Існує обмежене число схем, за допомогою яких з графітового шару можна вибудувати нанотрубку. Розглянемо точки А і А "на рис. 4а. Вектор, що з'єднує А і А" визначається, як c h = na 1 + ma 2, де n, m - дійсні числа, a 1, а 2 - одиничні вектори в графітової площині. Трубка утворюється при згортанні графітового шару і з'єднанні точок А і А ". Тоді вона визначається єдиним чином вектором c h. На рис. 5 дана схема індексування вектора решітки c h.

Індекси хиральности одношарової трубки однозначним чином визначають її діаметр:

де - постійна решітки. Зв'язок між індексами і кутом хиральности дається співвідношенням:

Рис.5. Схема індексування вектора решітки c h.

Нанотрубки типу зигзаг визначаються кутом Q =0° , Що відповідає вектору (n, m) = (n, 0). У них зв'язку С-С йдуть паралельно осі трубки (рис.3, а).

Структура типу «крісло» характеризується кутом Q = ± 30 °, Відповідним вектору (n, m) = (2n, -n) або (n, n). Ця група трубок матиме С-С зв'язку, перпендикулярні осі трубки (рис. 3б і 4б). Решта комбінації формують трубки хірального типу, з кутами 0 °<<Q <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла Q .

2.2 Структура багатошарових нанотрубок

Багатошарові нанотрубки відрізняються від одношарових значно більш широким розмаїттям форм і конфігурацій. Різноманітність структур проявляється як в поздовжньому, так і в поперечному напрямку. Можливі різновиди поперечної структури багатошарових нанотрубок представлені на рис. 6. Структура типу "російської матрьошки" (рис. 6а) являє собою сукупність коаксіально вкладених один в одного одношарових циліндричних нанотрубок. Інший різновид цієї структури, показана на рис. 6б, являє собою сукупність вкладених один в одного коаксіальних призм. Нарешті, остання з наведених структур (рис. 6в) нагадує сувій. Для всіх наведених структур характерно значення відстані між сусідніми графітовими шарами, близьке до величини 0,34 нм, властивою відстані між сусідніми площинами кристалічного графіту. Реалізація тієї чи іншої структури в конкретної експериментальної ситуації залежить від умов синтезу нанотрубок.

Дослідження багатошарових нанотрубок показали, що відстані між шарами можуть змінюватися від стандартної величини 0,34 нм до подвоєного значення 0,68 нм. Це вказує на наявність дефектів в нанотрубках, коли один з шарів частково відсутня.

Значна частина багатошарових нанотрубок може мати в перерізі форму багатокутника, так що ділянки плоскої поверхні сусідять з ділянками поверхні високої кривизни, які містять краю з високим ступенем sр 3 -гібрідізованного вуглецю. Ці краю обмежують поверхні, складені з sр 2 -гібрідізованного вуглецю, і визначають багато властивостей нанотрубок.

Рис 6. Моделі поперечних структур багатошарових нанотрубок (а) - «російська матрьошка»; (Б) - шестигранна призма; (В) - сувій.

Інший тип дефектів, нерідко відзначаються на графітової поверхні багатошарових нанотрубок, пов'язаний з впровадженням в поверхню, що складається переважно з Гексагон, деякої кількості Пентагону або гептагонов. Наявність таких дефектів в структурі нанотрубок призводить до порушення їх циліндричної форми, причому впровадження пентагона викликає опуклий вигин, в той час як впровадження гептагона сприяє появі крутого локтеобразного вигину. Таким чином, подібні дефекти викликають появу вигнутих і спіралеподібних нанотрубок, причому наявність спіралей з постійним кроком свідчить про більш-менш регулярному розташуванні дефектів на поверхні нанотрубки. Було встановлено, що крісельні труби можуть з'єднуватися з трубами зигзаг за допомогою ліктьового з'єднання, що включає пентагон з зовнішньої сторони ліктя і гептагон з його внутрішньої сторони. Як приклад на рис. 7 наведено з'єднання (5,5) крісельної труби і (9,0) зігзагной труби.

Мал. 7. Ілюстрація «ліктьового з'єднання» між (5,5) крісельної і (9,0) зігзагной трубою. (А) Перспективний рисунок з пентагональними і гексагональних заштрихованими кільцями, (б) структура, спроектована на площину симетрії ліктя.

3. Методи отримання вуглецевих нанотрубок

3.1 Отримання графіту в дуговому розряді

Метод заснований на утворенні вуглецевих нанотрубок при термічному розпиленні графітового електрода в плазмі дугового розряду, що горить в атмосфері гелію. Цей метод дозволяє отримувати нанотрубки в кількості, достатній для детального дослідження їх фізико-хімічних властивостей.

Трубка може бути отримана з протяжних фрагментів графіту, які далі скручуються в циліндр. Для освіти протяжних фрагментів необхідні спеціальні умови нагріву графіту. Оптимальні умови отримання нанотрубок реалізуються в дуговому розряді при використанні електролізного графіту в якості електродів. На рис. 8 показана спрощена схема установки для отримання фулеренів і нанотрубок.

Розпилення графіту здійснюється при пропущенні через електроди струму з частотою 60 Гц, величина струму від 100 до 200 А, напруга 10-20 В. Регулюючи натяг пружини, можна домогтися, щоб основна частина потужності, що підводиться виділялася в дузі, а не в графітовому стрижні. Камера заповнюється гелієм з тиском від 100 до 500 торр. Швидкість випаровування графіту в цій установці може досягати 10 г / В. При цьому поверхня мідного кожуха, що охолоджується водою, покривається продуктом випаровування графіту, тобто графітової сажею. Якщо одержуваний порошок зішкребти і витримати протягом декількох годин в киплячому толуолі, то виходить темно-бура рідина. При випаровуванні її в обертовому випарнику виходить дрібнодисперсний порошок, вага його становить не більше 10% від ваги вихідної графітової сажі, в ньому міститься до 10% фулеренів і нанотрубок.

В описаному способі отримання нанотрубок гелій грає роль буферного газу. Атоми гелію забирають енергію, що виділяється при об'єднанні вуглецевих фрагментів. Досвід показує, що оптимальний тиск гелію для отримання фулеренів знаходиться в діапазоні 100 торр, для отримання нанотрубок - в діапазоні 500 торр.

Мал. 8. Схема установки для отримання фулеренів і нанотрубок. 1 - графітові електроди; 2 - охлаждаемая мідна шина; 3 - мідний кожух, 4 - пружини.

Серед різних продуктів термічного розпилення графіту (фулерени, наночастинки, частинки сажі) невелика частина (кілька відсотків) припадає і на багатошарові нанотрубки, які частково прикріплюються до холодних поверхонь установки, частково осідають на поверхні разом з сажею.

Одношарові нанотрубки утворюються при додаванні в анод невеликої домішки Fe, Co, Ni, Cd (тобто додаванням каталізаторів). Крім того, ОСНТ виходять при окисленні багатошарових нанотрубок. З метою окислення багатошарові нанотрубки обробляються киснем при помірному нагріванні, або киплячій азотною кислотою, причому в останньому випадку відбувається видалення п'ятичленних графітових кілець, що приводить до відкриття кінців трубок. Окислення дозволяє зняти верхні шари з багатошарової трубки і відкрити її кінці. Так як реакційна здатність наночастинок вище, ніж у нанотрубок, то при значному руйнуванні вуглецевого продукту в результаті окислення частка нанотрубок в залишилася її частини збільшується.

3.2 Метод лазерного випаровування

Альтернативою вирощування нанотрубок в дуговому розряді є метод лазерного випаровування. В даному методі синтезуються в основному ОСНТ при випаровуванні суміші вуглецю і перехідних металів лазерним променем з мішені, що складається зі сплаву металу з графітом. У порівнянні з методом дугового розряду, пряме випаровування дозволяє забезпечити більш детальний контроль умов зростання, проводити тривалі операції і виробляти нанотрубки з великим виходом придатних і кращої якості. Фундаментальні ж принципи, що лежать в основі виробництва ОСНТ методом лазерного випаровування такі ж, як і в методі дугового розряду: атоми вуглецю починають накопичуватися і утворювати з'єднання в місці знаходження частинок металевого каталізатора. В установці (рис. 9) скануючий лазерний промінь фокусувався в 6-7 мм пляма на мішень, що містить метал-графіт. Мішень поміщалася в наповнену (при підвищеному тиску) аргоном і нагріту до 1200 ° С трубу. Сажа, яка утворювалася при лазерному випаровуванні, неслася потоком аргону із зони високої температури і атакували на охолоджується водою мідний колектор, що знаходиться на виході з труби.

Мал. 9. Схема установки лазерної абляції.

3.3 Хімічне осадження з газової фази

Метод плазмохимического осадження з газової фази (ПХО) заснований на тому, що газоподібний джерело вуглецю (найчастіше метан, ацетилен або монооксид вуглецю) піддають дії будь-якого високоенергетичного джерела (плазми або резистивної-нагрівається котушки) для того щоб розщепити молекулу на реакційно активний атомарний вуглець. Далі відбувається його розпорошення над розігрітій підкладкою, покритої каталізатором (зазвичай це перехідні метали першого періоду Fe, Co, Ni та ін.), На якому осідає вуглець. Нанотрубки утворюються тільки при строго додержуються параметрах. Точне відтворення напрямку росту нанотрубок і їх позиціонування на нанометровому рівні може бути досягнуто тільки при отриманні їх методом каталітичного ПХО. Можливий точний контроль за діаметром нанотрубок і їх швидкістю росту. Залежно від діаметра частинок каталізатора можуть рости виключно ОСНТ або МСНТ. На практиці ця властивість широко використовується в технології створення зондів для скануючої зондової мікроскопії. Ставлячи положення каталізатора на кінці кремнієвої голки кантільовери, можна виростити нанотрубку, яка значно поліпшить відтворюваність характеристик і роздільну здатність мікроскопа, як при скануванні, так і при проведенні літографічних операцій.

Зазвичай синтез нанотрубок по ПХО методу відбувається в два етапи: приготування каталізатора і власне зростання нанотрубок. Нанесення каталізатора здійснюється розпиленням перехідного металу на поверхню підкладки, а потім, використовуючи хімічне травлення або отжиг, ініціалізують формування частинок каталізатора, на яких в подальшому відбувається зростання нанотрубок (рис. 10). Температура при синтезі нанотрубок варіюється від 600 до 900 ° С.

Серед безлічі методів ПХО слід зазначити метод каталітичного піролізу вуглеводнів (рис. 10), в якому можливо реалізувати гнучке і роздільне управління умовами освіти нанотрубок.

В якості каталізатора зазвичай використовується залізо, яке утворюється в відновної середовищі з різних сполук заліза (хлорид заліза (III), саліцилат заліза (III) або пентакарбоніл заліза). Суміш солей заліза з вуглеводнем (бензолом) розпорошується в реакційну камеру або спрямованим потоком аргону, або з використанням ультразвукового розпилювача. Отриманий аерозоль з потоком аргону надходить в кварцовий реактор. У зоні печі попереднього нагрівання аерозольний потік прогрівається до температури ~ 250 ° С, відбувається випаровування вуглеводню і починається процес розкладання металлсодержащими солі. Далі аерозоль потрапляє в зону печі піролізу, температура в якому становить 900 ° С. При цій температурі відбувається процес утворення мікро- і нанорозмірних частинок каталізатора, піроліз вуглеводнів, освіта на частинках металу і стінках реактора різних вуглецевих структур, в тому числі нанотрубок. Потім газовий потік, рухаючись по реакційної трубі, надходить в зону охолодження. Продукти піролізу осідають в кінці зони піролізу на охолоджуваному водою мідному стрижні.

Мал. 10. Схема установки каталітичного піролізу вуглеводнів.

4. Властивості вуглецевих нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки поєднують в собі властивості молекул і твердого тіла і розглядаються деякими дослідниками як проміжний стан речовини. Результати вже перших досліджень вуглецевих нанотрубок вказують на їх незвичайні властивості. Деякі властивості одношарових нанотрубок наведені в табл. 1.

Електричні властивості ОСНТ в значній мірі визначаються їх хиральностью. Численні теоретичні розрахунки дають загальне правило для визначення типу провідності ОСНТ:

трубки з (n, n) завжди металеві;

трубки з n - m = 3j, де j не нульовий ціле число, є напівпровідниками з малою шириною забороненої зони; а всі інші є напівпровідниками з великою шириною забороненої зони.

Насправді зонна теорія для n - m = 3j трубок дає металевий тип провідності, але при викривленні площині відкривається невелика щілина в разі ненульового j. Нанотрубки типу крісло (n, n) в одноелектронному поданні залишаються металевими незалежно від викривлення поверхні, що обумовлено їх симетрією. Зі збільшенням радіуса трубки R ширина забороненої зони для напівпровідників з великою і малою шириною зменшується за законом 1 / R і 1 / R 2 відповідно. Таким чином, для більшості експериментально спостережуваних нанотрубок, щілину з малою шириною, яка визначається ефектом викривлення, буде настільки мала, що в умовах практичного застосування все трубки з n - m = 3j при кімнатній температурі вважаються металевими.

Таблиця 1

властивості	одношарові нанотрубки	Порівняння з відомими даними
характерний розмір	Діаметр від 0,6 до 1,8 нм	Межа електронної літографії 7 нм
густина	1.33-1.4 г / см 3	щільність алюмінію
Міцність на розрив		Найміцніший сплав стали розламується при 2 ГПа
пружність	Пружно вигинається під будь-яким кутом	Метали і волокна з вуглецю ламаються по межах зерен
щільність струму	Оцінки дають до 1Г А / см 2	Мідні дроти вигорають при
автоеміссіі	Активуються при 1-3 В при відстані 1 мкм	Молібденові голки вимагають 50 - 100 В, і недовговічні
теплопровідність	Передбачають до 6000 Вт / мК	Чистий алмаз має 3320 Вт / мК
Стабільність по температурі	До 2800 ° С у вакуумі і 750 ° С на повітрі	Металізація в схемах плавиться при 600 - 1000 ° С
		Золото 10 $ / г

Висока механічна міцність вуглецевих нанотрубок в поєднанні з їх електропровідністю дають можливість використовувати їх в якості зонда в скануючих зондових мікроскопах, що на кілька порядків підвищує роздільну здатність приладів подібного роду і ставить їх в один ряд з таким унікальним пристроєм, як польовий іонний мікроскоп.

Нанотрубки володіють високими емісійними характеристиками; щільність струму автоелектронної емісії при напрузі близько 500 В досягає при кімнатній температурі значення близько 0,1 А. см -2. Це відкриває можливість створення на їх основі дисплеїв нового покоління.

Нанотрубки з відкритим кінцем проявляють капілярний ефект і здатні втягувати в себе розплавлені метали і інші рідкі речовини. Реалізація цієї властивості нанотрубок відкриває перспективу створення провідних ниток діаметром близько нанометра.

Вельми перспективними є використання нанотрубок в хімічній технології, що пов'язано, з одного боку, з їх високою питомою поверхнею і хімічною стабільністю, а з іншого боку - з можливістю приєднання до поверхні нанотрубок різноманітних радикалів, які можуть служити в подальшому або каталітичними центрами, або зародками для здійснення різноманітних хімічних перетворень. Освіта нанотрубками багаторазово скручених між собою випадковим чином орієнтованих спіралеподібних структур призводить до виникнення всередині матеріалу нанотрубок значної кількості порожнин нанометрового розміру, доступних для проникнення ззовні рідин або газів. В результаті питома поверхня матеріалу, складеного з нанотрубок, виявляється близькою до відповідної величиною для індивідуальної нанотрубки. Це значення в разі одношарової нанотрубки становить близько 600 м 2. г -1. Настільки високе значення питомої поверхні нанотрубок відкриває можливість їх використання в якості пористого матеріалу у фільтрах, в апаратах хімічної технології та ін.

В даний час запропоновані різні варіанти застосування вуглецевих нанотрубок в газових датчиках, які активно використовуються в екології, енергетиці, медицині і сільському господарстві. Створено газові датчики, засновані на зміні термо або опору при адсорбції молекул різних газів на поверхні нанотрубок.

5. Застосування нанотрубок в електроніці

Хоча технологічні застосування нанотрубок, засновані на їх високої питомої поверхні, становлять значний прикладної інтерес, найбільш привабливими представляються ті напрямки використання нанотрубок, які пов'язані з розробками в різних галузях сучасної електроніки. Такі властивості нанотрубки, як її малі розміри, змінюється в значних межах, в залежності від умов синтезу, електропровідність, механічна міцність і хімічна стабільність, дозволяють розглядати нанотрубку в якості основи майбутніх елементів мікроелектроніки.

Впровадження в ідеальну структуру одношарової нанотрубки в якості дефекту пари п'ятикутник - семикутник (як на рис. 7) змінює її хіральність і, як наслідок, її електронні властивості. Якщо розглянути структуру (8,0) / (7,1), то з розрахунків слід, що трубка з хиральностью (8,0) являє собою напівпровідник з шириною забороненої зони 1,2 еВ, в той час як трубка з хиральностью (7 , 1) є напівметал. Таким чином, ця вигнута нанотрубка повинна являти собою молекулярний перехід метал-напівпровідник і може бути використана для створення випрямляючих діода - одного з основних елементів електронних схем.

Аналогічним чином в результаті впровадження дефекту можуть бути отримані гетеропереходи напівпровідник - напівпровідник з різними значеннями ширини забороненої зони. Тим самим нанотрубки з впровадженими в них дефектами можуть скласти основу напівпровідникового елемента рекордно малих розмірів. Завдання впровадження дефекту в ідеальну структуру одношарової нанотрубки представляє певні технічні труднощі, проте можна розраховувати, що в результаті розвитку створеної нещодавно технології отримання одношарових нанотрубок з певною хиральностью ця задача знайде успішне вирішення.

На основі вуглецевих нанотрубок вдалося створити транзистор,, за своїми властивостями перевищує аналогічні схеми з кремнію, який в даний час є головним компонентом при виготовленні напівпровідникових мікросхем. На поверхню кремнієвої підкладки р- або n-типу, попередньо вкритій 120-нм шаром SiO 2, формували платинові електроди витоку і стоку і з розчину облягали одношарові нанотруб (рис. 11).

Рис.11. Польовий транзистор на напівпровідникової нанотрубке. Нанотрубка лежить на непроводящей (кварцовою) підкладці в контакті з двома надтонкими проводами, в якості третьої електрода (затвора) використовується кремнієвий шар (а); залежність провідності в ланцюзі від потенціалу затвора (б) 3.

завдання

1. Ознайомитися з властивостями, структурою і технологією отримання вуглецевих нанотрубок.

2. Підготувати містить вуглецеві нанотрубки матеріал для дослідження методом просвічує електронної мікроскопії.

3. Отримати сфокусоване зображення нанотрубок при різних збільшеннях. При максимально можливому дозволі оцінити розмір (довжину і діаметр) запропонованих нанотрубок. Зробити висновок про характер нанотрубок (одношарові або багатошарові) і спостерігаються дефекти.

Контрольні питання

1. Електронна структура вуглецевих матеріалів. Структура одноcлойних нанотрубок. Структура многоcлойних нанотрубок.

2. Властивості вуглецевих нанотрубок.

3. Основні параметри, що визначають електричні властивості нанотрубок. Загальне правило для визначення типу провідності одношарової нанотрубки.

5. Області застосування вуглецевих нанотрубок.

6. Методи одержання нанотрубок: метод термічного розкладання графіту в дуговому розряді, метод лазерного випаровування графіту, метод хімічного осадження з газової фази.

література

1. Харріс, П. Вуглецеві нанотруб і родинні структури. Нові матеріали XXI століття. /П.Харріс- М .: Техносфера, 2003.-336 с.

2. Єлецький, А. В. Вуглецеві нанотрубки / А. В. Єлецький // Успіхи фізичних наук. - 1997.- Т 167, № 9 - С. 945 - 972

3. Бобринецький, І. І. Формування та ісcледованіе електрофізичних властивостей планарних структур на основі вуглецевих нанотрубок. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук // І.І.Бобрінецкій. - Москва, 2004.-145 с.

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

Thes A. et al. / Science. - 1996. - 273 - P. 483

Wind, S. J. Vertical scaling of carbon nanotube field-effect transistors using top gate electrodes / S. J.Wind, Appenzeller J., Martel R., Derycke and Avouris P. // Appl. Phys. Lett. - 2002.- 80. P.3817.

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

Вуглецеві нанотрубки - завтрашній день інноваційних технологій. Виробництво і впровадження нанотубуленов дозволить поліпшити якості товарів і виробів, значно знизивши їх вага і збільшивши міцність, а також наділивши новими характеристиками.

Що собою являють вуглецеві нанотрубки

Вуглецеві нанотрубки або тубулярная наноструктура (нанотубулен) - це штучно створені в лабораторних умовах одне або багатостінні порожні циліндричні структури, отримані з атомів вуглецю і володіють винятковими механічними, електрофізичними і фізичними властивостями.

Вуглецеві нанотрубки виходять з атомів вуглецю і мають форму трубок або циліндрів. Вони дуже маленькі (на нанорівні), з діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох сантиметрів. Вуглецеві нанотрубки складаються з графіту, але володіють іншими, не властивими графіту характеристиками. Вони не існують в природі. Їх походження має штучну основу. Тіло нанотрубок синтетичне, створюване людьми незалежно від початку до кінця.

Якщо подивитися на збільшену в мільйон разів нанотрубку, то можна побачити витягнутий циліндр, що складається з рівносторонніх шестикутників з атомами вуглецю на своїх вершинах. Це згорнута в трубку графітова площина. Від хиральности нанотрубки залежать її фізичні характеристики і властивості.

Збільшена в міліон раз нанотрубка являє собою витягнутий циліндр, що складається з рівносторонніх шестикутників з атомами вуглецю на своїх вершинах. Це згорнута в трубку графітова площина

Хіральність (англ. Chirality) - властивість молекули не поєднувати в просторі зі своїм дзеркальним відображенням.

Якщо попонятнее, то хіральність - це коли звертаєш, наприклад, аркуш паперу рівно. Якщо навскіс, то це вже ахіральность. Нанотубулени можуть мати одношарову і багатошарову структури. Багатошарова структура - це ніщо інше, як кілька одношарових нанотрубок, «одягнених» одна на одну.

Історія відкриття

Точна дата відкриття нанотрубок і їх першовідкривач невідомі. Ця тема є їжею для суперечок і міркувань, так як існує безліч паралельних описів цих структур вченими з різних країн. Основна складність в ідентифікації першовідкривача полягає в тому, що нанотрубки і нановолокна, потрапляючи в поле зору вчених, тривалий час не привертали їх пильної уваги і ретельно не досліджувалася. Існуючі наукові роботи доводять, що можливість створення нанотрубок і волокон з вуглець матеріалів теоретично допускалася ще в другій половині минулого століття.

Основна причина, по якій тривалий час не проводилися серйозні дослідження мікронних вуглецевих сполук, полягає в тому, що на той момент вчені не мали достатньо потужною науковою базою для досліджень, а саме не було обладнання, здатного в потрібному ступені збільшувати об'єкт вивчення і просвічувати їх структуру .

Якщо розташувати події по дослідженню наноуглеродістих з'єднань в хронологічному порядку, то перше свідчення доводиться на 1952 рік, коли радянськими вченими Радушкевічем і Лук'яновичем було звернуто увагу на нановолокністую структуру, утворену при розкладанні термічним способом оксиду вуглецю (російська назва - окис). Спостерігається з допомогою електронно-мікроскопічного обладнання структура мала волокна діаметром близько 100 нм. На жаль, далі фіксації незвичайної наноструктури справа не пішла і подальших досліджень не було.

Після 25 років забуття починаючи з 1974 року інформація про існування мікронних трубчастих структур з вуглецю починає потрапляти в газети. Так, групою японських вчених (Т. Койям, М. Ендо, А. Оберлін) під час досліджень в 1974-1975 рр. були представлені широкій публіці результати ряду своїх досліджень, в яких містився опис тонких трубок з діаметром менше 100 Å, які були отримані з парів при конденсації. Також освіту пустотілих структур з описом будови і механізму освіти, отриманих при дослідженні властивостей вуглецю, описані радянськими вченими інституту каталізу СО АН СРСР в 1977 році.

Å (Агстрём) - одиниця вимірювання відстаней, рівна 10-10 м. У системі СІ одиницею, близькою за величиною до Ангстрем, є нанометр (1 нм = 10 Å).

Фулерени - порожнисті, сферообразних молекули в формі кулі або м'яча для регбі.

Фулерени - четверта, раніше невідома, модифікація вуглецю, відкрита англійським хіміком і астрофізиком Харолда Крото

І тільки після використання в своїх наукових дослідженнях новітнього обладнання, що дозволяє детально розглядати і просвічувати вуглецеву структуру нанотрубок, японським ученим Суміо Іджімой (Sumio Iijima) в 1991 році були проведені перші серйозні дослідження, в результаті яких вдалося отримати досвідченим шляхом вуглецеві нанотрубки і детально їх дослідити .

У своїх дослідженнях професор Іджіма для отримання досвідченого зразка впливав на розпорошений графіт електродуговим розрядом. Прототип був ретельно вимірі. Його розміри показали, що діаметр ниток (каркаса) не перевищує декількох нанометрів, при довжині від одного до декількох мікрон. Вивчаючи структуру вуглецевої нанотрубки, вченим було встановлено, що досліджуваний об'єкт може мати від однієї до кількох шарів, що складаються з графітової гексагональної сітки на основі шестикутників. При цьому кінці нанотрубок структурно нагадують розсічений надвоє половинку молекули фулерену.

На момент проведення вищевказаних досліджень вже існували роботи таких відомих у своїй області вчених, як Джонса, Л.А. Чернозатонского, М.Ю. Корнілова, котрі пророкують можливість утворення даної аллотропной форми вуглецю, що описують її будова, фізичні, хімічні та інші властивості.

Багатошарова структура нанотрубки це ніщо інше, як кілька одношарових нанотубуленов, «одягнених» одна на одну за принципом російської матрьошки

електрофізичні властивості

Електрофізичні властивості вуглецевих нанотрубок знаходяться в стадії найпильнішої вивчення вченими спільнотами усього світу. Проектуючи нанотрубки в певних геометричних співвідношеннях, можна надати їм провідникові або напівпровідникові властивості. Наприклад, алмаз і графіт є вуглецем, але внаслідок відмінності в молекулярній структурі мають різні, а в деяких випадках протилежними властивостями. Такі нанотрубки називають металевими або напівпровідниковими.

Нанотрубки, які проводять електричний струм навіть при абсолютному нулі температур, є металевими. Нульова провідність електричного струму при абсолютному нулі, яка зростає з підвищенням температури, вказує на ознаку напівпровідникової наноструктури.

Основна класифікація розподіляється за способом згортання графітової площині. Спосіб згортання позначається двома числами: «m» і «n», які задають напрямок згортання по векторах графітової решітки. Від геометрії згортання графітової площині залежать властивості нанотрубки, наприклад, кут скручування безпосередньо впливає на їх електрофізичні властивості.

Залежно від параметрів (n, m) нанотрубки бувають: прямі (ахіральние), зубчасті ( «крісло»), звивисті і спіральні (хіральні). Для розрахунку і планування електропровідності використовують формулу співвідношень параметрів: (n-m) / 3.

Ціле число, що отримується при розрахунку, свідчить про провідності нанотрубки металевого типу, а дробове - напівпровідникової. Наприклад, металевими є все трубки типу «крісло». Вуглецеві нанотрубки металевого типу проводять електричний струм при абсолютному нулі. Нанотубулени напівпровідникового типу мають нульовий провідність при абсолютному нулі, яка зростає з підвищенням температури.

Нанотрубки з металевим типом провідності орієнтовно можуть пропускати мільярд ампер на квадратний сантиметр. Мідь, будучи одним з кращих металевих провідників, поступається нанотрубок за цими показниками більш ніж в тисячу разів. При перевищенні меж провідності відбувається нагрів, який супроводжується плавленням матеріалу і руйнуванням молекулярної решітки. З нанотубуленамі при рівних умовах цього не відбувається. Це пояснюється їх дуже високу теплопровідність, яка перевищує показники алмазу в два рази.

За показниками міцності нанотубулен також залишає інші матеріали далеко позаду. Він міцніше найміцніших сплавів стали в 5-10 разів (1,28-1,8 ТПА по модулю Юнга) і володіє пружністю в 100 тисяч разів вище ніж каучук. Якщо порівняти показники межі міцності, то вони перевищують аналогічні характеристики міцності якісної сталі в 20-22 рази!

Як отримують УН

Нанотрубки отримують високотемпературного та низькотемпературного способами.

До високотемпературним можна віднести способи лазерної абляції, солярний технології або електродугового розряду. Низькотемпературний спосіб увібрав в себе хімічне осадження з парової фази з використанням каталітичного розкладання вуглеводнів, газофазне каталітичне вирощування з монооксиду вуглецю, виробництво шляхом електролізу, термообробка полімеру, місцевий низькотемпературний піроліз або місцевий каталіз. Всі способи складні для розуміння, високотехнологічні і дуже затратні. Виробництво нанотрубок може собі дозволити тільки велике підприємство з потужною науковою базою.

Спрощено, процес отримання нанотрубок з вуглецю дуговим способом виглядає наступним чином:

У нагрітий до певної температури з замкнутим контуром реактор через ін'єкційний апарат вводиться плазма в газоподібному стані. У реакторі, у верхній і нижній частині, встановлюються магнітні котушки, одна з яких є анодом, а інша катодом. На магнітні котушки подається постійний електричний струм. На що знаходиться в реакторі плазму впливають електричною дугою, яку обертають і магнітним полем. Під дією високотемпературної електроплазменной дуги з поверхні анода, який складається з вуглець матеріалу (графіту), випаровується або «вищёлківается» вуглець і конденсується на катоді у вигляді вуглецевих нанотрубок, що містяться в осаді. Для того щоб атоми вуглецю мали можливість конденсуватися на катоді, температуру в реакторі знижують. Навіть короткий опис цієї технології дозволяє оцінити всю складність і витратність отримання нанотубуленов. Пройде ще чимало часу, перш ніж процес виробництва і застосування стане доступним для більшості підприємств.

Фотогалерея: Схема і обладнання для отримання нанотрубок з вуглецю

Установка по синтезу одностінних вуглецевих нанотрубок електродуговим способом Наукова установка невеликої потужності для отримання тубулярной наноструктури
Низькотемпературний спосіб отримання

Установка для отримання довгих вуглецевих нанотрубок

Токсичні чи?

Однозначно, так.

В процесі лабораторних досліджень вчені прийшли до висновку, що вуглецеві нанотрубки негативно впливають на живі організми. Це, в свою чергу, підтверджує токсичність нанотрубок, і все рідше доводиться вченим сумніватися в цьому важливому питанні.

Як показали дослідження, пряму взаємодію вуглецевих нанотрубок з живими клітинами призводить до їх загибелі. Особливо одношарові нанотрубки мають сильну протимікробну активність. Досліди вчені почали проводити на поширеною культурі царства бактерій (кишкова паличка) Е-соli. У процесі досліджень були застосовані одношарові нанотрубки діаметром від 0,75 до 1,2 нанометрів. Як показали проведені досліди, в результаті впливу вуглецевих нанотрубок на живу клітину відбувається пошкодження механічним способом клітинних стінок (мембран).

Нанотрубки, одержувані іншими способами, містять в собі велику кількість металів та інших токсичних домішок. Багато вчених припускають, що сама токсичність вуглецевих нанотрубок не залежить від їх морфології, а пов'язана безпосередньо з домішками, що містяться в них (нанотрубках). Однак проведені роботи вчених з Єля в області дослідження нанотрубок показали хибне уявлення багатьох співтовариств. Так, бактерії кишкової палички (Е-соli) в процесі досліджень піддавалися обробці одношаровими вуглецевими нанотрубками протягом однієї години. В результаті велика частина Е-соli загинула. Дані дослідження в галузі наноматеріалів підтвердили їх токсичність і негативний вплив на живі організми.

Вчені прийшли до висновку, що найбільш небезпечними є одношарові нанотрубки, це пов'язано з пропорційним відношенням довжини вуглецевої нанотрубки до її діаметру.

Різні дослідження в частині впливу вуглецевих нанотрубок на організм людини привели вчених до висновку про тотожній впливі, як і в разі потрапляння азбестових волокон в організм. Ступінь негативного впливу азбестових волокон безпосередньо залежить від їх розміру: чим менше, тим негативний вплив сильніше. А в разі вуглецевих нанотрубок і сумніватися не доводиться в їх негативний вплив на організм. Потрапляючи в організм разом з повітрям, нанотрубка через плевру осідає в грудній клітці, тим самим викликаючи важкі ускладнення, зокрема, ракові пухлини. Якщо проникнення в організм нанотубуленов відбувається через їжу, то вони осідають на стінках шлунка і кишечника, викликаючи різні захворювання і ускладнення.

В даний час вченими проводяться дослідження з питання біологічної сумісності наноматеріалів і пошуку нових технологій безпечного виробництва вуглецевих нанотрубок.

перспективи

Вуглецеві нанотрубки займають широку сферу застосування. Це пов'язано з тим, що вони мають молекулярну структуру в вигляді каркаса, що дозволяє тим самим мати властивості, що відрізняються від алмаза або графіту. Саме завдяки своїм особливостям (міцність, провідність, вигин) вуглецеві нанотрубки застосовуються частіше, в порівнянні з іншими матеріалами.

Застосовується це вуглецеве винахід в електроніці, оптиці, в машинобудуванні і т. Д. Вуглецеві нанотрубки використовують як добавки до різних полімерів і композитів для посилення міцності молекулярних сполук. Адже всім відомо, що молекулярна решітка вуглецевих з'єднань має неймовірну міцність, тим більше в чистому вигляді.

Вуглецеві нанотрубки використовуються також у виробництві конденсаторів і різного роду датчиків, анодів, які необхідні для виготовлення батарейок, в ролі поглинача електромагнітних хвиль. Широке застосування це вуглецеве з'єднання знайшло в сфері виготовлення телекомунікаційних мереж і рідкокристалічних дисплеїв. Також нанотрубки використовуються в якості підсилювача каталітичних властивостей у виробництві освітлювальних пристроїв.

комерційне застосування

ринок	застосування	Властивості складів на основі вуглецевих нанотрубок
Автомобілі	Деталі паливної системи і топлівопроводи (з'єднувачі, деталі насоса, ущільнювальні кільця, трубки), зовнішні кузовні деталі для електрозабарвлення (бампери, корпуси дзеркал, кришки паливних баків)	Покращений баланс властивостей в порівнянні з технічним вуглецем, здатність до переробки для великих частин, стійкість до деформації
електроніка	Технологічні інструменти та обладнання, касети для напівпровідникових пластин, конвеєрні стрічки, об'єднавчі блоки, обладнання для чистих кімнат	Підвищена чистота сумішей в порівнянні з вуглецевими волокнами, контроль питомої опору поверхні, здатність до обробки для відливання тонких частин, стійкість до деформації, збалансованість властивостей, альтернативні можливості пластмасових сумішей в порівнянні з вуглецевих волокон

Вуглецеві нанотрубки не обмежені певними рамками щодо застосування в різних галузях промисловості. Матеріал винайдений відносно недавно, і, в зв'язку з цим, в даний час широко застосовується в наукових розробках і дослідженнях багатьох країн світу. Це необхідно для більш детального вивчення властивостей і характеристик вуглецевих нанотрубок, а також налагодження масштабного виробництва матеріалу, так як в даний час він займає досить слабкі позиції на ринку.

Для охолодження мікропроцесорів застосовують вуглецеві нанотрубки

Завдяки хорошим проводять властивостям використання вуглецевих нанотрубок в машинобудуванні займає широкий спектр. Цей матеріал використовують в якості пристроїв по охолодженню агрегатів, що мають масивні розміри. В першу чергу це пов'язано з тим, що вуглецеві нанотрубки мають високий питомий коефіцієнт теплопровідності.

Застосування нанотрубок в розробках комп'ютерних технологій займає важливу роль в електронній промисловості. Завдяки застосуванню цього матеріалу налагоджено виробництво по виготовленню досить плоских дисплеїв. Це сприяє випуску комп'ютерної техніки компактних розмірів, але при цьому не втрачаються, а навіть збільшуються технічні характеристики електронно-обчислювальних машин. Застосування вуглецевих нанотрубок в розробках комп'ютерних технологій і електронної галузі дозволить досягти виробництва обладнання, яке в рази перевищуватиме за технічними характеристиками нинішні аналоги. На основі даних досліджень вже зараз створюються високовольтні кінескопи.

Перший процесор з вуглецевих нанотрубок

проблеми використання

Одна з проблем застосування нанотрубок полягає в негативному впливі на живі організми, що ставить під сумнів використання цього матеріалу в медицині. Деякі з експертів припускають, що в процесі масового виробництва вуглецевих нанотрубок можуть виникнути неоцінених ризики. Тобто в результаті розширення областей застосування нанотрубок виникне потреба в їх виробництві в широких масштабах і, відповідно, виникне загроза довкіллю.

Вчені пропонують шукати шляхи вирішення цієї проблеми в застосуванні більш екологічно чистих методів і способів виробництва вуглецевих нанотрубок. Також було запропоновано виробникам цього матеріалу серйозно підійти до питання «очищення» наслідки СVD-техпроцесу, що, в свою чергу, може позначитися на збільшенні вартості продукції, що випускається.

Фото негативного впливу нанотрубок на на клітини а) клітини кишкової палички до впливу нанотрубок; b) клітини після впливу нанотрубок

У сучасному світі вуглецеві нанотрубки вносять вагомий внесок в області розвитку інноваційних технологій. Фахівці дають прогнози щодо збільшення в найближчі роки виробництва нанотрубок і до зниження цін на дану продукцію. Це, в свою чергу, розширить сфери застосування нанотрубок і збільшить споживчий попит на ринку.

Вуглецеві нанотрубки (УНТ) - перспективний матеріал, який планується використовувати в широкому спектрі галузей - від виробництва велосипедів до мікроелектроніки. Однак навіть мінімальне порушення атомної структури УНТ призводить до падіння їх міцності на 50%. Це ставить під сумнів можливість будівництва космічного ліфта з матеріалу на основі вуглецевих нанотрубок.

16.10.2015, Андрій Барабаш 29

Команда дослідників зі Стенфордського університету, можливо, здійснила науковий прорив, який зможе змінити життя людей-ампутантів. Вчені розробили штучний замінник шкіри, який здатний відчувати дотики і передавати цю інформацію нервовій системі. Подібна технологія може бути використана при створенні футуристичних протезів, які будуть вбудовані в людську нервову систему. Крім того, ця технологія дозволить людям не тільки відчути дотику, але і визначити їх силу.