Електронни елементи на базата на въглеродни нанотръби - изследвания, нанотехнологии Popnano EN
Въглеродните нанотръби (NT) са особени цилиндрични молекули с диаметър около половин нанометър и дължина до няколко микрометра. Тези полимерни системи бяха открити за първи път преди по-малко от 10 години като странични продукти от синтеза на C60 фулерен. Въпреки това електронни устройства с нанометрови (молекулни) размери вече се създават на базата на въглеродни нанотръби. Очаква се в обозримо бъдеще те да заменят елементи с подобно предназначение в електронните схеми на различни устройства, включително съвременни компютри. В резултат на това ще бъде достигната теоретичната граница на плътност на запис на информация (от порядъка на един бит на молекула) и компютрите ще придобият практически неограничена памет и скорост, ограничена само от времето, през което сигналът преминава през устройството. Има 2 основни типа нанотръби: едностенни нанотръби (SWNT), които имат единична обвивка от въглеродни атоми, и многостенни нанотръби (MWNT), които се състоят от множество групирани въглеродни тръби. Нанотръбите са склонни да се прилепват плътно една към друга, образувайки комплекти или "въжета", състоящи се от метални и полупроводникови нанотръби. Металните проводими нанотръби могат да издържат на плътност на тока от 102 до 103 пъти по-висока от обикновените метали, а полупроводниковите нанотръби могат да се включват и изключват електрически от полето, генерирано от електрода, което прави възможно създаването на FETs.
Валцован графитен слой
Една бездефектна едностенна въглеродна нанотръба е лента, навита в цилиндър с атоми, опаковани като графит (фиг. 1). За да представим пространственото разположение на атомите в нанотръба, начертаваме вектора C = (na1, ma2) върху графитния слой,където a1 и a2 са базисни вектори, а n и m са цели числа. През точките на началото и края на този вектор начертаваме две прави линии, перпендикулярни на него - L и L' и изрязваме безкрайна лента от слоя по тези линии. Нека навием лентата на цилиндър, така че линиите L и L' да са подравнени. Нашият цилиндър L ще има образуваща, а обиколката е равна на модула на вектора C. Така че получаваме нанотръба (n, m). В общия случай нанотръбите имат спирална ос на симетрия (тогава се казва, че са хирални). Нанотръбите (n, 0) и (n, n), в които въглеродните шестоъгълници са ориентирани съответно успоредно и перпендикулярно на оста на цилиндъра, се оказват нехирални.
Метали и полупроводници
За да се създадат електронни устройства и да се комбинират в сложни устройства, са необходими полупроводници и материали с висока електропроводимост. Нанотръбите с различни индекси (n, m) са полимери с различни структури и следователно трябва да имат различни електрически свойства. Зависимостите на електрическите свойства на нанотръбите от геометричните параметри са прогнозирани въз основа на квантово-химични изчисления на тяхната лентова структура. Те показаха, че онези NT, за които разликата n - m е кратна на три, имат метален тип лентова структура, т.е. една трета от нанотръбите. Останалите нанотръби трябва да бъдат полупроводници със забранена лента от няколко десети до около две eV, нарастваща с намаляване на диаметъра на нанотръбата.
Методи за производство на въглеродни нанотръби
Метод на дъгата.
Лазерно пръскане.
През 1995 г. се появи доклад за синтеза на въглеродни нанотръби чрез разпръскване на графитна мишена под въздействието на импулсно лазерно лъчение в инертна (He или Ar) газова атмосфера. Графитната мишена е в кварцова тръба при температура12000C, през който протича буферния газ. Лазерен лъч, фокусиран от система от лещи, сканира повърхността на графитната цел, за да осигури равномерно изпаряване на материала на целта. Парата, получена в резултат на лазерно изпарение, навлиза в потока на инертен газ и се пренася от областта с висока температура към областта с ниска температура, където се отлага върху водно охлаждана медна подложка. Саждите, съдържащи NT, се събират от медния субстрат, стените на кварцовата тръба и обратната страна на целта. Както и при дъговия метод, се получават няколко вида краен материал: (1) в експерименти, при които чист графит е използван като мишена, са получени MWNT, които имат дължина до 300 nm и се състоят от 4-24 графенови цилиндъра. Структурата и концентрацията на такива NT в изходния материал се определят главно от температурата. При 12000C всички наблюдавани NT не съдържат дефекти и имат капачки в краищата. Когато температурата на синтеза беше понижена до 900 ° C, в NT се появиха дефекти, чийто брой се увеличи с по-нататъшно понижаване на температурата, а при 2000 ° C не се наблюдава образуване на NT. (2) когато малко количество преходни метали беше добавено към целта, се наблюдаваха SWNTs в кондензационните продукти. Въпреки това, по време на изпаряване, мишената се обогатява с метал и добивът на SWNT намалява. За решаването на този проблем започнаха да се използват две мишени, облъчвани едновременно, едната от които е чист графит, а другата се състои от метални сплави.
Каталитично разлагане на въглеводороди.
Електролитен синтез.
Основната идея на този метод е да се получат въглеродни NT чрез преминаване на електрически ток между графитни електроди в разтопена йонна сол. Графитният катод се изразходва по време на реакцията и служи като източник на атомивъглерод. В резултат на това се образува широка гама от наноматериали. Анодът е лодка, изработена от графит с висока чистота и пълна с литиев хлорид. Лодката се нагрява до точката на топене на литиев хлорид (6040C) във въздух или в атмосфера на инертен газ (аргон). Катодът се потапя в разтопения литиев хлорид и в рамките на една минута между електродите преминава ток от 1-30 А. По време на преминаването на тока частта от катода, потопена в стопилката, ерозира. След това електролитната стопилка, съдържаща въглеродни частици, се охлажда до стайна температура. За да се изолират въглеродните частици в резултат на ерозията на катода, солта се разтваря във вода. Утайката се изолира, разтваря се в толуен и се диспергира в ултразвукова баня. Продуктите от електролитния синтез са изследвани с помощта на ТЕМ. Беше разкрито, че те се състоят от капсулирани метални частици, лукчета и въглеродни NT с различни морфологии, включително спираловидни и силно извити. В зависимост от експерименталните условия диаметърът на нанотръбите, образувани от цилиндрични графенови слоеве, варира от 2 до 20 nm. Дължината на MWNT достига 5 µm. Установени са оптимални условия за ток - 3-5 A. При висока стойност на тока (10-30 A) се образуват само капсулирани частици и аморфен въглерод. При ниски токове ( 123 следващ > последен >>