Елементи електроніки на вуглецевих нанотрубках - Навчання, Нанотехнології Popnano UA
Вуглецеві нанотрубки (НТ) – своєрідні циліндричні молекули діаметром приблизно від половини нанометра та довжиною до кількох мікрометрів. Ці полімерні системи вперше виявили менше 10 років тому як побічні продукти синтезу фулерену С60. Проте, вже зараз на основі вуглецевих нанотрубок створюються електронні пристрої нанометрового (молекулярного) розміру. Очікується, що в найближчому майбутньому вони замінять елементи аналогічного призначення в електронних схемах різних приладів, у тому числі сучасних комп'ютерів. В результаті буде досягнуто теоретичну межу щільності запису інформації (порядку одного біта на молекулу) і обчислювальні машини знайдуть практично необмежену пам'ять та швидкодію, що лімітується лише часом проходження сигналу через прилад. Існує 2 основних типи нанотрубок: одностінні нанотрубки ОСНТ (single-walled nanotubes - SWNT), у яких одна оболонка з атомів вуглецю, і багатостінні МСНТ (multi-walled nanotubes - MWNT), які складаються з безлічі згрупованих вуглець. Нанотрубки схильні міцно злипатися між собою, формуючи набори або "канат", що складається з металевих та напівпровідникових нанотрубок. Металеві провідні струм нанотрубки можуть витримувати щільності струму в 102-103 рази вище, ніж звичайні метали, а напівпровідникові нанотрубки можна електрично включати і вимикати за допомогою поля, що генерується електродом, що дозволяє створювати польові транзистори.
Згорнутий графітовий шар
Одностенная вуглецева нанотрубка, що не містить дефектів, являє собою згорнуту у вигляді циліндра стрічку з упаковкою атомів за типом графіту (рис. 1). Щоб уявити просторове розташування атомів у нанотрубці, відкладемо на графітовому шарі вектор C = (na1, ma2),де a1 та a2 - базисні вектори, а n і m - цілі числа. Через точки початку і кінця цього вектора проведемо перпендикулярно йому дві прямі - L і L 'і виріжемо з шару нескінченну стрічку вздовж цих ліній. Згорнемо стрічку в циліндр так, щоб прямі L і L'сумісилися. У нашого циліндра L буде твірною, а довжина кола дорівнює модулю вектора C. Так ми отримаємо нанотрубку (n, m). У загальному випадку нанотрубки мають гвинтову віссю симетрії (тоді кажуть, що вони хіральні). Нехіральними виявляються нанотрубки (n, 0) і (n, n), у яких вуглецеві шестикутники орієнтовані паралельно і перпендикулярно до осі циліндра відповідно.
Метали та напівпровідники
Для створення електронних пристроїв та їх об'єднання у складні прилади потрібні напівпровідники та матеріали з високою електропровідністю. Нанотрубки з різними значеннями індексів (n, m) - це полімери різної будови, а тому вони повинні мати різні електричні властивості. Залежно від електричних властивостей нанотрубок від геометричних параметрів були передбачені на основі квантово-хімічних розрахунків їх зонної структури. Вони показали, що металевий тип зонної структури мають ті НТ, котрим різниця n - m кратна трьом, - тобто. третина нанотрубок. Інші нанотрубки повинні бути напівпровідниками із шириною забороненої зони від декількох десятих до приблизно двох еВ, що зростає зі зменшенням діаметра нанотрубки.
Методи отримання вуглецевих нанотрубок
Електродуговий метод.
Лазерне розпилення.
У 1995 році з'явилося повідомлення про синтез вуглецевих НТ методом розпилення графітової мішені під впливом імпульсного лазерного випромінювання в атмосфері інертного (He або Ar) газу. Графітова мета знаходиться в кварцовій трубці при температурі12000С, якою тече буферний газ. лазерний пучок, що фокусується системою лінз, сканує поверхню графітової мішені для забезпечення рівномірного випаровування матеріалу мішені. Пар, що виходить, в результаті лазерного випаровування потрапляє в потік інертного газу і виноситься з високотемпературної області в низькотемпературну, де осаджується на мідній підкладці, що охолоджується водою. Сажа, що містить НТ, збирається з мідної підкладки, стінок кварцової трубки та зворотного боку мішені. Також як і в дуговому методі виходить кілька видів кінцевого матеріалу: (1) в експериментах, де в якості мішені використовувався чистий графіт, виходили МСНТ, які мали довжину до 300 нм і складалися з 4-24 циліндрів графенових. Структура та концентрація таких НТ у вихідному матеріалі переважно визначалися температурою. При 12000С всі НТ не містили дефектів і мали шапочки на закінченнях. При зниженні температури синтезу до 9000С НТ з'являлися дефекти, кількість яких збільшувалася з подальшим зниженням температури, і за 2000С освіту НТ немає. (2) при додаванні в ціль невеликої кількості перехідних металів, у продуктах конденсації спостерігалися ОСНТ. Однак у процесі випаровування мета збагачувалася металом, і вихід ОСНТ знижувався. Для вирішення цієї проблеми стали використовувати дві опромінювані одночасно мішені, одна з яких є чистим графітом, а інша складається зі сплавів металів.
Каталітичне розкладання вуглеводнів.
Електролітичний синтез.
Основна ідея цього методу полягає в тому, щоб отримати вуглецеві НТ, пропускаючи електричний струм між графітовими електродами, що знаходяться в розплавленій іонній солі. Графітовий катод витрачається в процесі реакції і є джерелом атоміввуглецю. В результаті формується широкий спектр наноматеріалів. Анод є човником, зробленим з високо чистого графіту і заповненим хлоридом літію. Човен нагрівається до температури плавлення хлориду літію (6040С) на повітрі чи атмосфері інертного газу (аргону). У розплавлений хлорид літію занурюється катод і протягом однієї хвилини між електродами пропускається струм 1-30 А. За час пропускання струму, занурена в розплав, частина катода еродує. Далі розплав електроліту, що містить частинки вуглецю, охолоджувався до кімнатної температури. Для того щоб виділити частинки вуглецю, що виявилися внаслідок ерозії катода, сіль розчинялася у воді. Осад виділявся, розчинявся в толуолі та диспергувався в ультразвуковій ванні. Продукти електролітичного синтезу досліджувалися за допомогою ПЕМ. Виявлено, що вони складаються із закапсульованих частинок металу, цибулин та вуглецевих НТ різної морфології, включаючи спіральні та сильно вигнуті. Залежно від умов експерименту діаметр нанотрубок утворених графіновими циліндричними шарами коливався від 2 до 20 нм. Довжина МСНТ досягала 5 мкм. Знайдено оптимальні умови по струму - 3-5 А. При високому значенні струму (10-30 А) утворюються лише закапсульовані частки та аморфний вуглець. При низьких значеннях струму ( 123 слід. > остання >>