| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Курсовая работа на тему "Углеродные наноматериалы
Российский университет дружбы народов.
Инженерная академия.
Кафедра кибернетики и мехатроники
Курс «Введение в наноинженерию»
«Углеродные наноматериалы»
Выполнила: Студентка 2-го курса
Немчинова В.О.
Группа ИИб-201
Преподаватель: доцент Лапшинский В.А.
Москва 2016
Анотация:
В данной работе рассмотрена структура углеродных наноматериалов, их свойства, получение, а так же применение углерода в различных формах и средах. В приложениях предложены темы проектных работ, интересные задачи.
В работе содержится: 9 рисунков, 2 таблицы, 24 страницы, 10 источников.
Глоссарий терминологии и сокращения.
Нанотехнологии – это современные инструментальные методы получения структур, веществ и материалов, путем манипулирования объектами, размеры которых составляют около одной миллиардной части метра.
Нанотрубка - топологическая форма наночастиц в виде полого наностержня.
Графит — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода
Лонсдейлит — алмаз гексагональный.
Метастабильное состояние — состояние квазиустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время.
Линейные одномерные (1D) структуры – нанонити и нанопроволоки (nanowires). Молекулярное наслаивание, введением веществ в цилиндрические микропоры.
УНТ — углеродные нанотрубки.
Графеновый полевой транзистор — транзистор из графена, который использует электрическое поле, создаваемое затвором для управления проводимостью канала. На сегодняшний момент не существует промышленного способа получения графена, но предполагается, что его хорошая проводимость поможет создать транзисторы с высокой подвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основе кремниевой технологии
Графеновые наноленты — узкие полоски графена с шириной порядка 10—100 нм. По своим физическим свойствам отличаются от более широких образцов, которые имеют линейный закон дисперсии, как в бесконечном графене. Наноленты интересны тем, что обладают нелинейным законом дисперсии и полупроводниковыми свойствами из-за наличия запрещённой зоны, которая зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. Графеновые наноленты благодаря этому рассматриваются как важный шаг в создании транзистора на основе графена, который будет работать при комнатной температуре.
Содержание
1. Общая характеристика углеродных наноматериалов…………..…....….стр.3
1.1 Аллотропия углерода…………………………………………………...стр.3
1.2 Открытие наноматериалов……………………………………………..стр.5
2. Технологии роста углеродных нанотрубок……………………………..стр.11
2.1 Катодное распыление графита………………………………………..стр.11
2.2 Лазерное испарение графита…………………………………………стр.12
2.3 Химическое газофазное осаждение углеводородов………………...стр.14
2.4 Электролитический синтез……………………………………………стр.16
3.Применение углерода в различных формах в различных средах. …….стр.17
3.1 Фуллерен……………………………………………………………….стр.17
3.2 Углеродные нанотрубки………………………………………………стр.18
3.3 Графен………………………………………………………………….стр.19
3.4 Нанопена……………………………………………………………….стр.21
Вывод………………………………………………………………………...стр.22
Список литературы………………………………………………………….стр.23
Контрольные вопросы………………………………………………………стр.24
1. Общая характеристика углеродных наноматериалов.
Углеро́д химический символ — C, лат. Carboneum — химический элемент 14-ой группы по «короткой форме» — главной подгруппы IV группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107.
Углеродные наноматериалы, к числу которых принадлежат фуллерены, фуллериты и нанотрубки, активно исследуются как уникальные объекты нанотехнологии. Свойства данного вида молекул необычны и во многом уникальны.
До недавнего времени считалось, что углерод может существовать лишь в трёх формах – в виде графита, алмаза и карбина. Но экспериментальные исследования последних лет поколебали эту уверенность.
1.1 Аллотропия углерода.
Аллотро́пия— существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропных модификаций или форм.
Углерод, по мнению большинства ученых, имеет самое большое число аллотропических модификаций (более 8 уже обнаружены). Аллотропные модификации углерода по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга, от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого к дорогому. Эти аллотропы включают аморфные аллотропы углерода (уголь, сажа), нанопена, кристаллические аллотропы — нанотрубка, алмаз, фуллерены, графит, лонсдейлит и церафит.
Упрощённо фазовую диаграмму углерода, можно представить как на рисунке 1. Заштрихованы области, где аллотропные модификации могут быть метастабильны.
Классификация аллотропов углерода по характеру химической связи между атомами:
1.sp3 формы:
• Алмаз (куб)
• Лонсдейлит (гексагональный алмаз)
2.sp2 формы
• Графит
• Графены
• Фуллерены (C20+)
• Нанотрубки
• Нановолокна
• Астралены
• Стеклоуглерод
• Колоссальные нанотрубки
3.sp формы:
• Карбин
4.Смешанные sp3/sp2 формы:
• Аморфный углерод
• Углеродные нанопочки
• Углеродная нанопена
5.Другие формы: C1— C2— C3— C8
1.2 Открытие наноматериалов.
В 1985 г. Харольдом Крото и Ричардом Смоли была открыта ранее неизвестная форма углерода – фуллерены. Молекула фуллерена С60 представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников и шестиугольников с атомами углерода в вершинах (рис. 2).
Молекула С60 имеет структуру усеченного икосаэдра. Фигура формируется двадцатью шестиугольниками и двенадцатью пятиугольниками. Это высокосимметричная фигура, обладающая шестью осями пятого порядка, проходящими через двенадцать противоположно лежащих пятиугольников; десятью осями третьего порядка, проходящими через двадцать противоположно лежащих шестиугольников; тридцатью осями второго порядка, проходящими через противоположно лежащие шестьдесят ребер шестиугольник-шестиугольник; тридцатью осями второго порядка, проходящими через все противоположные шестьдесят вершин фигуры.
Создание к 1990 году эффективной технологии синтеза, выделения и очистки фуллеренов привело к открытию многих необычных свойств данных молекул. Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают на большое разнообразие физических явлений, происходящих при участии фуллеренов, открывая значительные перспективы использования этих материалов не только в электронике, оптоэлектронике, но и при создании конструкционных материалов.
В 1991 году Иижима обнаружил другую новую 1D форму углерода: продолговатые трубчатые образования, названные «нанотрубками» (рис. 3а). Следует отметить, что примерно в это же время российские ученые объявили об открытии нанотрубок и их связок, имеющих, однако, намного меньший коэффициент отношения длины к диаметру и напоминавших скорее продолговатые фуллерены.
Рисунок 3 – Первые изображения нанотрубок: a – фотография многослойных нанотрубок с различными диаметрами (d) и количеством слоев(N): N = 5, d = 6,7 нм (слева); N = 2, d = 5,5 нм (справа), получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа; б – изображение ультратонкой наноструктуры углерода, нанесенной на поверхность графита (метод сканирующей туннельной микроскопии).
Наиболее просто УНТ можно описать с помощью вектора, соединяющего два атома на графитовом листе. Цилиндр получается при сворачивании данного листа таким образом, чтобы совмещались начало и конец такого вектора. Данный вектор можно выразить через базисные векторы элементарной ячейки графенового листа:
C = na1 + ma2,
при этом принято, что n ≥ m. Каждая пара чисел (n, m) представляет возможную структуру нанотрубки.
Симметричные нанотрубки типа «zigzag» и «armchair» представляются векторами (n, 0) и (n, n ) соответственно (рис. 4).
Нанотрубки также характеризуются диаметром и углом хиральности. Хиральным углом нанотрубки называется угол между осью трубки и рядами наиболее плотно упакованных атомов. Из геометрических соображений легко вывести зависимости для хирального угла и диаметра нанотрубки.
Пара целых чисел (n, m) однозначно соответствует паре значений. На практике обычно измеряют именно диаметр и угол хиральности нанотрубки и переводят потом в более наглядные и понятные векторные.
Одиночная трубка обычно называется однослойной нанотрубкой (ОСНТ). Известный наименьший диаметр нанотрубки – 0,7 нм, что является диаметром молекулы фуллерена C60. Нанотрубки, состоящие из коаксиальных графитовых цилиндров, с расстоянием между слоями 0,34 нм называются многослойными нанотрубками (МСНТ).
Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечыном направлении. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на рис. 5.
Структура типа «русская матрешка» (рис. 5а) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок. Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 3б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Последняя из приведенных структур (рис. 5в) напоминает свиток. Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.
Исследования многослойных нанотрубок показали, что расстояния между слоями могут меняться от стандартной величины 0,34 нм до удвоенного значения 0,68 нм. Это указывает на наличие дефектов в нанотрубках, когда один из слоев частично отсутствует.
Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности многослойных нанотрубок, связан с внедрением в поверхность, состоящую преимущественно из гексагонов, некоторого количества пентагонов или гептагонов. Наличие таких дефектов в структуре нанотрубок приводит к нарушению их цилиндрической формы, причем внедрение пентагона вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение гептагона способствует появлению крутого локтеобразного изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок, причем наличие спиралей с постоянным шагом свидетельствует о более или менее регулярном расположении дефектов на поверхности нанотрубки. Трубки типа «armchair» могут соединяться с трубками типа «zigzag» при помощи локтевого соединения, включающего пентагон с внешней стороны локтя и гептагон с его внутренней стороны. В качестве примера на рис. 6 приведено соединение (5,5) нанотрубки типа «armchair» и (9,0) нанотрубки типа «zigzag».
Нанотрубки за счет сил Ван-дер-Ваальса при производстве обычно соединяются в пучки. В свою очередь произвольно расположенные пучки образуют сетки.
Углеродные нанотрубки сочетают в себе свойства молекул и твердого тела и рассматриваются некоторыми исследователями как промежуточное состояние вещества. Результаты уже первых исследований углеродных нанотрубок указывают на их необычные свойства. Некоторые свойства однослойных нанотрубок приведены в табл. 1.
Весьма перспективным представляется использование нанотрубок в химической технологии, что связано, с одной стороны, с их высокой удельной поверхностью и химической стабильностью, а с другой стороны, с возможностью присоединения к поверхности нанотрубок разнообразных радикалов, которые могут служить в дальнейшем либо каталитическими центрами, либо зародышами для осуществления разнообразных химических превращений. Это свойство крайне важно, если рассматривать углеродные нанотрубки как элементы армирующей фазы полимерных композиционных материалов. Для обеспечения оптимальной прочности связи «матрица-наполнитель» проводят функциализацию УНТ, то есть изменение химической природы поверхности. Функциализация не только способствует увеличению прочности связи «трубка–матрица», но и вызывает разделение сростков УНТ на отдельные трубки, улучшает однородность распределения УНТ в матрице.
2. Технологии роста углеродных нанотрубок.
2.1 Катодное распыление графита.
Наиболее широкое распространение получил метод синтеза, основанный на использовании дугового разряда с графитовыми электродами, разработанный Кретчмером для получения фуллеренов из сажи.
Получение углеродных нанотрубок методом катодного распыления организуется следующим образом. Герметичный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (He или Ar при давлении 1–10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1–10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которых является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют углеродный катод, вызывая его распыление.
Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на охлаждаемых стенках камеры, а часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки, – на поверхности катода.
Однослойные нанотрубки образуются при добавлении в анод небольшой примеси Fe, Co, Ni, Cd (то есть при добавлении катализаторов). Кроме того, ОСНТ получаются при окислении многослойных нанотрубок. С целью окисления многослойные нанотрубки обрабатываются кислородом при умеренном нагреве либо кипящей азотной кислотой, причем в последнем случае происходит удаление пятичленных графитовых колец, приводящее к открытию концов трубок. Окисление позволяет снять верхние слои с многослойной трубки и открыть ее концы. Так как реакционная способность наночастиц выше, чем у нанотрубок, то при значительном разрушении углеродного продукта в результате окисления доля нанотрубок в оставшейся части увеличивается.
На выход нанотрубок влияет множество факторов, в частности, давление буферного газа в реакционной камере, ток дуги, эффективность охлаждения стенок камеры и электродов и т.д.
2.2 Лазерное испарение графита.
В 1995 году появилось сообщение о синтезировании углеродных нанотрубок методом распыления графитовой мишени под воздействием импульсного лазерного излучения в атмосфере инертного газа (He или Ar). Графитовая мишень находится в кварцевой трубке при температуре 1200 °С, по которой течет буферный газ.
Фокусирующийся системой линз лазерный пучок сканирует поверхность графитовой мишени для обеспечения равномерного испарения материала мишени. Получающийся в результате лазерного испарения пар попадает в поток инертного газа и выносится из высокотемпературной области в низкотемпературную, где осаждается на охлаждаемой водой медной подложке. Сажа, содержащая УНТ, собирается с медной подложки, стенок кварцевой трубки и обратной стороны мишени.
Так же, как и при катодном распылении графита, получается несколько видов конечного материала: фуллерены, наночастицы графита и углеродные нанотрубки (однослойные и многослойные). Структура и концентрация УНТ в исходном материале главным образом определяются температурой. При 1200 С УНТ не содержат дефектов и имеют шапочки на окончаниях. При понижении температуры синтеза до 900 С в УНТ появляются дефекты, число которых увеличивается с дальнейшим понижением температуры, и при 200 С образование УНТ не наблюдается.
В качестве разновидности получил распространение метод, где вместо импульсного лазерного использовалось сфокусированное солнечное излучение. Данный метод применялся для получения фуллеренов, а после доработки – для получения УНТ. Солнечный свет, попадая на плоское зеркало и отражаясь, формирует плоскопараллельный пучок, падающий на параболическое зеркало. В фокусе зеркала расположена графитовая лодочка, заполненная смесью графитового и металлического порошков. При хорошей юстировке температура на композитной мишени достигает 3000 K. Лодочка находится внутри графитовой трубки, которая играет роль теплового экрана. Вся система помещена в камеру, заполненную инертным газом.
На рис. 8 приведена общая схема установки для получения углеродных нанотрубок методом лазерного испарения графита.
По сравнению с методом дугового разряда, прямое испарение позволяет обеспечить более детальный контроль условий роста, проводить длительные операции и производить нанотрубки с большим выходом конечного продукта лучшего качества.
2.3 Химическое газофазное осаждение углеводородов.
Метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХО) основан на том, что газообразный источник углерода (чаще всего метан, ацетилен или моноксид углерода) подвергают воздействию какого-либо высокоэнергетического источника (плазмы или резистивно-нагреваемой катушки) для того, чтобы расщепить молекулу на реакционно-активный атомарный углерод. Далее происходит его распыление над разогретой подложкой, покрытой катализатором (обычно это переходные металлы первого периода Fe, Co, Ni и др.), на котором осаждается углерод. Нанотрубки образуются только при строго соблюдаемых параметрах.
Точное воспроизведение направления роста нанотрубок и их позиционирование на нанометровом уровне может быть достигнуто только при получении их методом каталитического пиролиза, поскольку местоположение катализатора определяет местоположение нанотрубок.
Метод каталитического пиролиза основан на том, что газообразный источник углерода разлагается на катализаторе на углерод, который адсорбируется и растворяется в катализаторе, и другие продукты реакции. Рост углеродных нанотрубок на катализаторе происходит по принципу образования зародыша углерода на поверхности капли катализатора с последующим его разрастанием и образованием наноструктуры.
Схема установки каталитического пиролиза углеводородов представлена на рис. 9.
Размеры нанотрубки и ее структура определяются температурным режимом процесса, составом газовой фазы, составом и размером нанокластеров катализатора.
В роли катализаторов используются квазиаморфные плёнки никеля, золь-гель-катализаторы в этаноле окисленная сталь и другие.
Следует отметить, что в отличие от мелкодисперсных порошков железа и никеля необработанная подложка из стали и листовой никель не являются катализаторами роста нанотрубок. Это связано с высокой поверхностной энергией мелкодисперсных систем. Рост углеродных нанотрубок идёт по принципу гетерофазной нуклеации, то есть происходит на поверхности наночастицы с такой поверхностной энергией, которая больше или равна энергии активации реакции перехода углерода в углеродную нанотрубку.
В зависимости от диаметра частиц катализатора могут расти исключительно однослойные либо многослойные углеродные нанотрубки.
На практике данное свойство широко используется в технологии создания зондов для сканирующей зондовой микроскопии. Задавая положение катализатора на конце кремниевой иглы кантилевера, можно вырастить нанотрубку, которая значительно улучшит воспроизводимость характеристик и разрешающую способность микроскопа, как при сканировании, так и при проведении литографических операций.
2.4 Электролитический синтез
Основная идея этого метода состоит в том, чтобы получить углеродные нанотрубки, пропуская электрический ток между графитовыми электродами, находящимися в расплавленной ионной соли. Графитовый катод расходуется в процессе реакции и служит источником атомов углерода. В результате формируется широкий спектр наноматериалов. Анод представляет собой лодочку, сделанную из высокочистого графита и заполненную хлоридом лития. Лодочка нагревается до температуры плавления хлорида лития (604 ˚С) на воздухе или в атмосфере инертного газа (аргона). В расплавленный хлорид лития погружается катод, и в течение одной минуты между электродами пропускается ток 1–30 А. За время пропускания тока погруженная в расплав часть катода эродирует. Далее расплав электролита, содержащий частицы углерода, охлаждается до комнатной температуры. В состав продуктов входят закапсулированные частицы металла и многослойные углеродные НТ различной морфологии, включая спиральные и сильно изогнутые. В зависимости от условий эксперимента диаметр нанотрубок, образованных цилиндрическими графеновыми слоями, колеблется от 2 до 20 нм, длина достигает 5 мкм.
Представленные методы получения углеродных наноструктур широко применяются в научных целях. Однако важнейшая практическая задача – синтез качественного и недорогого углеродного наноматериала в необходимом для промышленного использования объеме. Она может быть решена посредством совершенствования технологического оформления метода каталитического пиролиза углеводородов. Именно данный метод обладает необходимой специфичностью в отношении конечного продукта, допускает применение различных исходных реагентов группы углеводородов.
3.Применение углерода в различных формах в средах.
3.1 Фуллерен.
1 Создание новых конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в строительстве инженерно-технических сооружениях и в изготовлении средств индивидуальной защиты Тканые материалы специального назначения (ленты, полотна, паруса, канаты, сверхпрочные нити) на основе полимерных молекул, модифицированные фуллеренами;
Бетонополимеры повышенной прочности и влагостойкости;
Легкие волокнистые структуры, модифицированные фуллеренами и наноструктурами, как упрочненные уплотняющие материалы;
Сверхпрочные (выше твердости алмаза) насадки специального инструмента.
2 Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов. Присадки к маслам и смазкам, резко повышающие износоустойчивость пар трения в машинах и механизмах;
Антизадирные составы для узлов, работающих в условиях повышенных нагрузок;
Материалы для снижения износа в условиях сухого трения;
Смазывающе-охлаждающие технологические составы, увеличивающие жизнеспособность инструмента.
3
Получение новых композиционных материалов электротехнического назначения.
Композиционные материалы скользящих сильноточных электрических контактов с повышенным ресурсом работы;
Термомодифицированные материалы электродов для химических источников тока;
Элементы сверхпроводящих конструкций на основе фуллереновых интеркалятов.
4 Получение новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного противодействия. Материалы защитных экранов антилазерного назначения;
Материалы для стелс-технологий различного назначения;
Материалы устройств для корреляции лазерного изображения в системах наблюдения и обработки спутниковой информации (высокоразрешающие динамические голограммы);
Материалы дифракционных ветвителей в волоконно-оптических сетях.
5
Создание материалов и микроэлектронных изделий специального назначения.
Материалы новейших микросенсоров;
Тонкопленочные защитные покрытия высокой стойкости;
Неорганические резисты субмикронного разрешения;
Электрооптические модуляторы света, в том числе многоканальные, и модуляторы на эффекте “свет-свет”.
6 Разработка новых технологий в медицине. Ранозаживляющие повязки.
3.2 Углеродные нанотрубки.
• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
• Медицина (в стадии активной разработки).
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
• Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор , из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.
• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные
• Искусственные мышцы. Путём введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой
• Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать её в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.
3.3 Графен.
Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор[51]. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.
Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным из-за отсутствия запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных к затвору напряжениях, то есть не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно как-то создать запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре, чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость. Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (значительно большей, чем подвижность в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 см²•В−1•с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.
Другая область применения предложена в статье и заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы выступают донорами и акцепторами, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе теоретически исследуется влияние различных использованных в отмеченном выше эксперименте примесей на проводимость графена. В работе было показано, что NO2 молекула является хорошим акцептором благодаря своим парамагнитным свойствам, а диамагнитная молекула N2O4 создаёт уровень близко к точке электронейтральности. В общем случае примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.
Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах). Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт•ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт•ч/кг).
Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC).
В 2011 году в журнале Science была опубликована работа, где на основе графена предлагалась схема двумерного метаматериала (может быть востребован в оптике и электронике).
Коробчатая графеновая наноструктура (КГНС), представляющая собой многослойную систему расположенных вдоль поверхности параллельных полых наноканалов с четырёхугольным поперечным сечением, может служить основой для создания сверхчувствительных датчиков, высокоэффективных каталитических ячеек, наноканалов для манипулирования-секвенирования ДНК, высокоэффективных теплоотводящих поверхностей, аккумуляторов с улучшенными характеристиками, наномеханических резонаторов, каналов умножения электронов в приборах эмиссионной наноэлектроники, сорбентов большой ёмкости для безопасного хранение водорода.
3.4 Нанопена.
Благодаря очень маленькой плотности (2÷10 мг/см³) и большой площади поверхности (300÷400 м²/г), углеродная нанопена может быть использована для хранения водорода в топливных ячейках.[6]
Полупроводниковые свойства нанопены могут быть использованы в электронике.
Химическая нейтральность и стойкость нанопены открывает широкие возможности применения нанопены в медицине:
• магнитные свойства нанопены позволяют вводить её в кровоток и отслеживать течение крови в мельчайших капиллярах при помощи магнитно-резонансной томографии;[3]
• поскольку нанопена хорошо поглощает инфракрасное излучение, то введя её в опухоль можно было бы уничтожить последнюю, облучая инфракрасным светом, поскольку нанопена нагревалась бы гораздо сильнее, чем соседние, здоровые ткани.
Вывод.
Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов, представляющих собой новую аллотропную форму углерода в виде замкнутых, каркасных, макромолекулярных систем. Среди этих материалов особое место занимают углеродные нанотрубки и фуллерены.
Эти материалы несут в себе большой потенциал, позволяя в перспективе освоить огромный спектр технологий от производства наноразмерных баллистических транзисторов, работающих в ТГц-диапазоне , до космического лифта, способного поднимать грузы на орбиту земли.
Список литературы.
1. Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин—аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№ 5. с.37-44.
2. Елецкий А.В., Смирнов Б.М.Фуллерены и структуры углерода — Успехи физических наук, 1995, №9.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродные_нанотрубки - Углеродные нанотрубки (Википедия)
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD – Фуллерен (Википедия)
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD – Графен (Википедия)
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродная_нанопена - Нанопена (Википедия)
7. Мищенко С.В., Ткачёв А.Г. - Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. – М: Машиностроение, 2008.- 320с
8. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей. Изд.2, стереот. - 2009. - 296 с.
9. Раков Э.Г. - Нанотрубки и фуллерены М.: Логос, 2006. 376 с
10. http://www.neotechproduct.ru/application -применение фуллерена и фуллереносодержащих смесей.
Контрольные вопросы.
1.Каков диаметр фуллерена(С60)?
а .0,7 нм
б. 1 нм
в. 0,5 нм
2.Сколько модификаций (аллотропий) углерода известно на данный момент?
а.9
б.8
в.7
3. Сколько моделей поперечных структур многослойных углеродных нанотрубок существует?
а.3
б.2
в.4
4. Диаметр нанотрубок, образованных цилиндрическими графеновыми слоями, колеблется от:
а.5 до 17
б.2 до 20
в.3,5 до 19
5.Какой метод синтеза получил наиболее широкое распространение?
а. Катодное распыление графита
б. Химическое газофазное осаждение углеводородов
в. Лазерное испарение графита
г. Электролитический синтез |
| Категория: Наноинженерия (рефераты) | Добавил: anilove9898 (20.12.2016)
| Автор: Немчинова Варвара
|
| Просмотров: 5383
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|