Презентация на тему: Лекция 2-2 ПМ

Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ Лекция 2-2 ПМ КОНЕЦ
1/113
Средняя оценка: 4.3/5 (всего оценок: 7)
Скачать (10649 Кб)
Код скопирован в буфер обмена
1

Первый слайд презентации: Лекция 2-2 ПМ

1 Лекция 2-2 ПМ Свойства углеродных и неорганических нанотрубок, нанопроволок. Одностенные и многостенные нанотрубки. Капиллярные эффекты. Электрофизические свойства углеродных нанотрубок. Колебательные свойства нанотрубок. Механические свойства углеродных нанотрубок. Свойства неорганических нанотрубок и нанопроволок. Нанотрубки на основе сульфида молибдена. Нанонити на основе металлов и сплавов. Нанонити, состоящие из двух и более металлов. Применение углеродных нанотрубок. Полевая эмиссия. Компьютеры. Сенсоры. Катализаторы. Механическое упрочнение.

2

Слайд 2

2 Нанотрубка - это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет важную структурную характеристику хиральность. Хиральность характеризуется двумя целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником в начале координат.

3

Слайд 3

3

4

Слайд 4

4

5

Слайд 5

5 Одностенная УНТ: а – схема получения путем свертывания части бесконечного графенового листа (слоя) в трубку; б – схематическое представление двумерного графенового листа

6

Слайд 6

6

7

Слайд 7

7

8

Слайд 8

8 УНТ имеют отношение длины к диаметру ~ 1000, так что их можно рассматривать как квазиодномерные структуры. Бездефектные УНТ представляют собой цилиндрические структуры из свернутых графеновых слоев, состоящих из атомов углерода, расположенных по углам сочленения шестиугольников (гексагонов). УНТ могут состоять из двух отдельных поверхностей с различными физическими и химическими свойствами. Первая – боковая (цилиндрическая) часть трубки, вторая – закрытый торец, по форме напоминающий половину молекулы фуллерена. В зависимости от способа свертывания графенов существует три формы цилиндрических УНТ: ахиральные типа "кресло" (две стороны каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ), ахиральные типа "зигзаг" (при параллельном положении к оси) и хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под углом, отличным от 0 или 90 o ). На рис. указанные отличия наглядно представлены. Двухмерная структура поверхности УНТ передается вектором свертки (хиральности) С h который определяется уравнением: С h = na 1 + ma 2, где а 1 и а 2 – единичные векторы гексагональной сетки; n и m – целые числа (хиральные индексы).

9

Слайд 9

9 Индексы n и m однозначно связаны с диаметром нанотрубки d: d = (a/  ) [3 (n 2 + m 2 + mn)] 0,5, в котором а – межатомное расстояние в плоской углеродной сетке (0,1421 нм) и хиральным углом  (характеризует отклонение от конфигурации зигзага и меняется в пределах от 0 до 30 o ):  = arctg [- (3 m ) 0.5 /(2 n + m )] или  = arctg {-(3 m ) 0.5 /(2 m + n )] Ахиральные УНТ типа кресла имеют индексы (n, n) и  = 30 o, типа зигзага – (n, 0) или, что полностью эквивалентно, ( 0, m) и  = 0°, хиральные УНТ – (n, m), 60° >  > 30 o. Радиус УНТ (n, 0) определяется уравнением r = 0,0392n нм, радиус УНТ (n, n) – уравнением r = 0,0678n нм. Используя эти уравнения, можно определить значения диаметра УНТ: (n, m) (3, 3) (6, 0) (5, 5) (10, 0) (10, 10) (15, 0) (15, 15) d, нм 0,4068 0,4704 0,6780 0,7830 1,356 1,176 2,034 Наименьший и наибольший диаметры однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) составляют соответственно около 0,3 и 5 нм.

10

Слайд 10

10 . Примеры возможных структур нанотрубок, зависящих от способа сворачивания графитового листа: а – кресельная структура; б – зигзагообразная структура; в – хиральная структура

11

Слайд 11

11 Компьютерное изображение одностенных углеродных нанотрубок: а – структура типa «кресло»; б – типа «зигзаг»; в – хирального типа

12

Слайд 12

12 Схематическое изображение нанотрубок: а – УНТ; б– одностенные УНТ; в– многостенные УНТ

13

Слайд 13

13

14

Слайд 14

14

15

Слайд 15

15

16

Слайд 16

16

17

Слайд 17

17 Число слоев чаще всего составляет не больше 10, но в отдельных случаях достигает нескольких десятков. При любых вариантах строения МУНТ межслоевое расстояние ("Ван-дер-Ваальсова щель") близко к расстоянию между слоями графита (0,34 нм), а у дефектных МУНТ может достигать 0,4…0,5 нм. в бездефектных МУНТ зависит от диаметра трубок Dгр и уменьшается по мере его увеличения. Межслоевое расстояние d c = 0.384+0.1 exp (- D гр/2)

18

Слайд 18

18

19

Слайд 19

19

20

Слайд 20

20

21

Слайд 21

21 Для УНТ установлена однозначная связь между структурой и проводящими свойствами. Это зависимость электронной структуры нанотрубки от ее хиральности, которая представляет собой структуру заполненных электронных состояний. Подобные состояния формируются в результате делокализации 2 s - и 2р -электронов атома углерода, причем 2 s -электроны при гибридизации заполняют области энергии ниже и выше уровня Ферми, а 2р -электроны — области вблизи уровня Ферми. Изменение хиральности, а также радиуса УНТ приводит к изменению ширины запрещенной зоны, которая, как это следует из расчетов, представляет собой монотонно спадающую функцию радиуса. В качестве характеристики хиральности для проводящих свойств иногда удобно ввести индекс k = т - 2п (т> 2 n ), тогда k = 0 дает металлическую проводимость, k = 3( q + 1) характеризует ускозонный полупроводник, k = 3 q + 1 и k = 3 q + 2 — полупроводники с со средним значение запрещенной зоны.

22

Слайд 22

22

23

Слайд 23

23

24

Слайд 24

24 Наконечник микроскопа прижимается к нанотрубке и вызывает ее изгиб или контакт с соседней нанотрубкой. Этот прием позволяет отличить контактное сопротивление от сопротивления самой нанотрубки. Согласно таким измерениям проводимость прямолинейного участка однослойной нанотрубки без внешней нагрузки составляет при комнатной температуре 100 мкСм, что соответствует сопротивлению 10 кОм. Эта величина соответствует величине единичного кванта проводимости 4е2/ h =154 мкСм при наличии баллистической проводимости (отсутствии рассеяния электрона), когда длина пробега электрона превышает размер нанотрубки и значительно превышает проводимость контакта 65 нСм. Изгиб нанотрубки на угол 105° приводит к уменьшению ее проводимости в 100 раз (1 мкСм). Следовательно, изгиб нанотрубки значительно меняет ее проводимость.

25

Слайд 25

25

26

Слайд 26

26 Измерения при Т = 0.001 К на металлической нанотрубке, лежащей между двумя металлическими электродами, демонстрируют особенности в виде ступенек на вольтамперной характеристике, показанные на рис. 5.17. Ступеньки появляются при напряжениях, зависящих от напряжения, приложенного к третьему электроду, электростатически связанному с нанотрубкой. Ступеньки на вольт-амперной характеристике являются следствием одноэлектронного туннелирования и резонансного туннелирования через отдельные молекулярные орбитали. Одноэлектронное тунелирование происходит, когда емкость трубки настолько мала, что добавление одного электрона вызывает изменение электростатической энергии, большее, чем тепловая энергия kT. Электронный перенос блокируется при низких напряжениях, что называется кулоновской блокадой/. При постепенном увеличении напряжения на затворе электроны по одному могут проникать в трубку. Перенос электронов в трубке происходит посредством туннелирования между дискретными электронными состояниями. Изменение тока на каждой ступеньке (см. рис. 5.17) связано с добавлением одной молекулярной орбитали. Это означает, что электроны в нанотрубке не являются сильно локализованными, а размазаны на большом расстоянии вдоль трубки. Обычно присутствие дефекта в одномерной системе вызывает локализацию электронов, однако дефект в нанотрубке приводит к локализации из-за того, что его влияние усредняется по всему периметру трубки. Это происходит вследствие тороидальной формы волновой функции, напоминающей пончик.

27

Слайд 27

27

28

Слайд 28

28 В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока. Оценочно они могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр. Медный провод выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр из-за того, что джоулев нагрев приводит к плавлению провода. Одной из причин высокой проводимости углеродных трубок является очень малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов, а следовательно и очень низкое сопротивление. Поэтому большой ток не нагревает трубку так, как он разогревает медный провод. Этому также способствует высокая теплопро­водность нанотрубок. Она почти вдвое превышает теплопроводность алмаза, что означает — трубки являются очень хорошими проводниками тепла.

29

Слайд 29

29 Магнитосопротивлением называется явление, в котором электросопротивление вещества меняется при наложении постоянного магнитного поля. Углеродные нанотрубки при низких температурах демонстрируют магниторезистивный эффект. На рис. 5.18 показан график зависимости изменения относительного сопротивления нанотрубки от приложенного магнитного поля при 2,3 К и 0,35 К. Это — отрицательный магниторезистивный эффект, так как сопротивление уменьшается при увеличении магнитного поля, а обратная величина — проводимость увеличивается. Такой эффект является следствием того, что приложенное к трубке магнитное поле приводит к появлению новых энергетических уровней электронов, связанных с их спиральным движением в поле. Оказывается, что для нанотрубок эти уровни, называемые уровнями Ландау, находятся очень близко к наивысшему из заполненных уровней (уровню Ферми). Другими словами, появляется большее количество возможных состояний для увеличения энергии электронов, что повышает проводимость материала.

30

Слайд 30

30

31

Слайд 31

31

32

Слайд 32

32

33

Слайд 33

33

34

Слайд 34

34

35

Слайд 35

35

36

Слайд 36

36

37

Слайд 37

37

38

Слайд 38

38

39

Слайд 39

39

40

Слайд 40

40

41

Слайд 41

41

42

Слайд 42

42

43

Слайд 43

43 Эмиссия электронов

44

Слайд 44

44

45

Слайд 45

45

46

Слайд 46

46

47

Слайд 47

47

48

Слайд 48

48 Колебательные свойства Атомы в молекуле или наночастице участвуют в непрерывном тепловом движении. Каждая молекула обладает специфическим набором колебательных движений, называемых нормальными колебательными модами, определяющимися симметрией молекулы. Так, молекула двуокиси углерода СО 2 со структурой О = С = О имеет четыре нормальные моды. Две моды связаны с изгибом молекулы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, еще одна, называемая симметричным растяжением, заключается в синфазном удлинении С = О связей. Асимметричное растяжение, заключающееся в противофазном изменении длин С = О связей, при котором одна связь растягивается, в то время как другая сжимается, является четвертой модой.

49

Слайд 49

49 Аналогично, углеродные нанотрубки имеют свои нормальные колебательные моды, две из которых проиллюстрированы на рис. 5.19. Одна мода, обозначаемая А 2 g, состоит в осцилляции диаметра трубки. Другая мода, обозначаемая А 1 g, состоит в сплющивании трубки, при котором она сжимается в одном направлении, одновременно расширяясь в перпендикулярном ему, по существу, осциллируя между окружностью и эллипсом. Частоты этих двух мод рамановски активны и зависят от радиуса трубки. На рис. 5.20 показана зависимость частоты моды А 1 g, от радиуса трубки, обычно используемая в настоящее время для измерения радиуса нанотрубок.

50

Слайд 50

50

51

Слайд 51

51

52

Слайд 52

52

53

Слайд 53

53 где  — продольное напряжение, представляющее собой отношение продольного растягивающего усилия N, приложенного к нанотрубке, к площади ее поперечного сечения,  — относительное растяжение (изменение длины) нанотрубки при таком напряжении, R — радиус нанотрубки, h — толщина ее стенок

54

Слайд 54

54

55

Слайд 55

55

56

Слайд 56

56

57

Слайд 57

57

58

Слайд 58

58

59

Слайд 59

59

60

Слайд 60

60

61

Слайд 61

61 Схема эксперимента по удлинению и обострению многослойных УНТ (1) исходная УНТ; (2) УНТ после -электротермического удаления внешних слоев с наконечника; (3) УНТ с припаянным манипулятором; (4) передвижение манипулятора вызывает обратимые смещения внутренних слоев УНТ по отношению ж внешним; (5) удаление манипулятора приводит к пружинному возврату внутренних слоев УНТ в исходное положение; (6) поперечные смещения манипулятора вызывают обратимую деформацию полых внешних слоев УНТ.

62

Слайд 62

62 Иллюстрация работы генератора механических колебаний на основе жгута однослойных УНТ: (/) колебания совершает центральная внутренняя УНТ; (2) колебания совершают шесть на- нотрубок, принадлежащих второй оболочке жгута.

63

Слайд 63

63

64

Слайд 64

64

65

Слайд 65

65 Газовые датчики

66

Слайд 66

66

67

Слайд 67

67 Химические сенсоры Установлено, что полевой транзистор, сделанный на полупроводящей хиральной нанотрубке, является чувствительным детектором различных газов. Полевой транзистор помещался в сосуд емкостью 500 мл с выводами электропитания и двумя клапанами для ввода и вывода газа, омывающего транзистор. Протекание газа, содержащего от 2 до 200 ррт N О 2, со скоростью 700 мл/мин на протяжении 10 минут привело к трехкратному повышению проводимости нанотрубки. На рис. 5.25 показана вольтамперная характеристика транзистора до и после контакта с N О 2, демонстрирующая еще больший эффект. Эти данные получены при напряжении затвора, составлявшем 4 В. Такой эффект обусловлен тем, что при связывании N О 2 с нанотрубкой заряд перено­сится с нанотрубки на группу N О 2, увеличивая концентрацию дырок в нанотрубке и ее проводимость. Частота одной из нормальных мод колебаний, имеющих очень сильную линию в рамановском спектре, также очень чувствительна к присутствию посторонних молекул на поверхности нанотрубки. Направление и величина смещения зависят от типа молекулы на поверхности. Этот эффект также может лечь в основу новых химических газовых сенсоров на основе углеродных нанотрубок.

68

Слайд 68

68

69

Слайд 69

69 Катализ Катализатором называется вещество, обычно металл или сплав, увеличивающее скорость протекания химической реакции. Для некоторых химических реакций углеродные нанотрубки являются катализаторами. Например, доказано, что многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами рутения имеют сильный каталитический эффект на реакцию гидрогенизации коричного альдегида (С 6 Н 5 СН=СНСНО) в жидкой фазе по сравнению с эффектом того же рутения, находящегося на других углеродных субстратах. Также проводились химические реакции и внутри углеродных нанотрубок, например восстановление оксида никеля N iO до металлического никеля и А l С l 3 до алюминия. Поток газообразного водорода Н 2 при 475°С частично восстанавливает МоО 3 до МоО 2 с сопутствующим образованием паров воды внутри многослойных нанотрубок. Кристаллы сульфида кадмия С dS образуются внутри нанотрубок при реакции кристаллического оксида кадмия С dO с сероводородом (Н 2 S при 400 ° C.

70

Слайд 70

70 Химические и биохимические сенсоры. Углеродные нанотрубки обладают важным свойством - способностью изменять свою проводимость при адсорбции чужеродного атома или молекулы. Величина изменения проводимости зависит от числа адсорбированных атомов. Ленгмюр, исследуя явление адсорбции, установил, что число адсорбированных атомов определяется давлением, которые они создают в окружающей среде. В соответствии с уравнением состояния р = п k Т давление р определяется концентрацией атомов п в пространстве. Поэтому изменение проводимости нанотрубки можно использовать для определения концентрации химических веществ в пространстве, окружающем нанотрубку. Это свойство можно усилить, применяя специальную обработку поверхности нанотрубки. В последнее время возникло направление, которое названо «ковалентной химией углеродных нанотубок». Это направление заключается в поиске и присоединении к УНТ радикалов, которые повышают чувствительность к измерению концентрации определенных веществ. Это направление опирается на то обстоятельство, что в образовании самой нанотрубки участвуют 3 электрона каждого атома углерода, а четвертый может установить химическую связь с присоединяемой молекулой. Этот процесс показан на рис. 5.12. Присоединенные функциональные группы (радикалы) образуют своеобразную «шубу» у нанотрубки, которая реагирует на присоединение определенного чужого атома или молекулы. Подбирая состав «шубы», можно измерять концентрацию достаточно сложных молекул, в том числе ДНК.

71

Слайд 71

71

72

Слайд 72

72

73

Слайд 73

73 Топливные элементы Углеродные нанотрубки могут быть использованы в изготовлении батареек. Литий, являющийся носителем заряда в некоторых батарейках, можно помещать внутрь нанотрубок. По оценкам, в трубке можно разместить один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим возможным использованием нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при конструировании топливных элементов как источников электрической энергии в будущих автомобилях. Топливный элемент состоит из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между ними, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где он ионизируется. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этик ионов, электронов и кислорода образуются молекулы воды. Такой системе необходим источник водорода. Одна из возможностей состоит в хранении водорода внутри углеродных нанотрубок. По существующим оценкаж, для эффективного использования в этом качестве трубка должна поглощать 6,5% водорода по весу. В настоящее время в трубку удалось поместить только 4% водорода по весу. Элегантный метод заполнения углеродных нанотрубок водородом состоит в использовании для этого электрохимической ячейки, показанной на рис. 5.23. Одностенные нанотрубки в форме листа бумаги составляют отрицаетельный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(O Н) 2. Вода электролита разлагается с образованием положительных ионов водорода (Н + ), движущихся к отрицательному электроду из нанотрубок. Наличие связанного в трубках водорода определяется по падению интенсивности рамановского рассеяния, как показано на рис. 5.24, на котором представлены рамановские спектры материала до и после того, как он был подвергнут вышеописанной электрохимической обработке.

74

Слайд 74

74

75

Слайд 75

75 Нанотрубки для топливных элементов. В прямых метанольных топливных элементах используются электрокатализаторы (металлы платиновой группы) на углеродных носителях. В настоящее время в качестве носителей катализаторов используют, как правило, сажу или технический углерод. Эксперименты показали, что замена их на углеродные нанотрубки или нановолокна позволяет повысить активность электрокатализаторов и эффективность работы топливных элементов. Так, китайские исследователи синтезировали катализатор из наночастиц платины на углеродных нанотрубках (10 ма c. % платины) и использовали его в качестве катодного электрокатализатора для прямых метанольных топливных элементов вместо обычного катализатора на углероде. Результаты исследований показали высокую активность восстановления кислорода и более эффективную работу топливных элементов. Российские ученые разработали электрокатализаторы на основе углеродных нанотрубок и нановолокон (в том числе в виде нанобумаги) с нанесенными наночастицами платины и палладия. Предполагается, что уже в ближайшем будущем углеродные нанотрубки и нановолокна будут использованы в реальных топливных элементах.

76

Слайд 76

76 Хранение водорода

77

Слайд 77

77

78

Слайд 78

78 Нанотрубка в роли транзистора. Оказывается, для того чтобы сделать транзистор на основе нанотрубок, уже не нужно прилагать дополнительных усилий (делать между ними полимерные переходы и т.п.). Как установили ученые из Калифорнийского университета и университета Клемсона (США), Y -образная нанотрубка полностью выполняет функции транзистора, обладая при этом более высоким быстродействием. Y -образные нанотрубки могут заменить современные металл-оксид-полупроводниковые транзисторы и послужить основой новой элементной базы, а сеть разветвленных нанотрубок сможет заменить электронный чип целиком. Для того чтобы создать нанотрубку в форме буквы Y, ученые разработали новую технологию ее «выращивания». Сначала «выращивается» обычная прямая нанотрубка, затем на ее поверхность наносят специально обработанные наночастицы титана, которые выступают в роли катализаторов роста еще одной ветви на поверхности уже сформированной нанотрубки. Исследователи планируют провести ряд экспериментов с нанотранзистором и использовать различные виды наночастиц для выращивания наноструктур с другими электрическими свойствами Y -перехода.

79

Слайд 79

79

80

Слайд 80

80

81

Слайд 81

81

82

Слайд 82

82

83

Слайд 83

83

84

Слайд 84

84

85

Слайд 85

85 Самый маленький в мире транзистор на нанотрубке. Компании Infineon Technologies А G (Германия) удалось создать работоспособный нанотранзистор с длиной проводящего канала 18 нм. В новом полупроводниковом устройстве использована нанотрубка диаметром 0,7...1,1 нм. Разработаны новые методы производства нанотрубок для их использования в нанотранзисторах. Так, были «выращены» нанотрубки на определенных поверхностях. Новый полевой нанотранзистор (рис. 5.8) может проводить ток до 15 мА при подаче на него напряжения 0,4 В (обычные нанотранзисторы работают на напряжении 0,7 В). При производстве микроэлектронных компонентов на основе нового чипа плотность размещения транзисторов будет в 10 раз больше, чем в современных чипах.

86

Слайд 86

86

87

Слайд 87

87

88

Слайд 88

88

89

Слайд 89

89

90

Слайд 90

90

91

Слайд 91

91

92

Слайд 92

92 Первый цветной дисплей на нанотрубках. Компанией Мо tor о1а создан плоский цветной дисплей на основе нанотрубок. Использование нанотрубок позволяет создать плоскопанельные дисплеи, имеющие длительный срок службы, высокое качество и при этом более низкую стоимость, чем плазменные и жидкокристаллические. Разработанный прототип дисплея оптимизирован для требований телевидения высокой четкости. Это вполне работоспособный дисплей, а не мини-экран для мобильного телефона. Дисплей с диагональю 5" представляет собой часть панели с диагональю 42" с разрешением 1280 х 720 пикселей. Толщина панели — приблизительно 3 мм. Для отображения цвета использованы привычные по телевизионным кинескопам люминофоры, что обеспечивает яркие и естественные цвета. По скорости отклика, углу обзора, диапазону рабочих температур прототип не уступает дисплеям на базе электронно-лучевых трубок. Это дает преимущество дисплеям на нанотрубках перед обычными плазменными и жидкокристаллическими. Суть технологии сводится к «выращиванию» нанотрубок непосредственно на стеклянной подложке, с которой нанотрубки связаны с помощью органической пасты, позволяющей достичь более мощной эмиссии электронов из нанотрубок. Маркетологи из компании Мо tor о l а назвали свой продукт NED ( Nfno Emissive Display ), т.е. дисплей с эмиссией электронов из нанотрубок.

93

Слайд 93

93

94

Слайд 94

94

95

Слайд 95

95 Светоизлучающие нанотрубки, используемые в телевизорах и дисплеях. Углеродным нанотрубкам уже найдено немало разнообразных применений, в том числе в качестве элементной базы для будущих наноэлектронных схем, однако в компании Арр lied Nanotech полагают, что могут предложить еще одно — в плоскоэкранных телевизорах и дисплеях нового поколения. Новые светоизлучающие нанотрубки ( LEN ) дают излучение с длиной волны до 1,5 мкм, что в перспективе делает потенциально возможным создание оптических коммуникационных элементов на кремниевых подложках с интегрированными LEN -излучателями диаметром 1,4 нм. Компания Арр lied Nanotech предлагает в телевизорах нового поколения использовать нанотрубки в качестве источников света, заменив ими лампы подсветки в жидкокристаллических телевизорах большой диагонали (40...60").

96

Слайд 96

96

97

Слайд 97

97

98

Слайд 98

98

99

Слайд 99

99 Силовые элементы

100

Слайд 100

100

101

Слайд 101

101 Механическое упрочнение Использование длинных углеродных волокон, таких как полиакрилнитрил, является отработанной технологией увеличения прочности пластиковых композитов. Полиакрилнитрил имеет прочность на разрыв порядка 7 ГПа и диаметр 1 -10 микрон. Использование этих волокон для упрочнения требует разработки методов равномерного распределения и ориентирования их в нужном направлении в материале. Волокно должно выдерживать условия, возникающие при обработке. Важными параметрами, определяющими эффективность упрочнения композита такими волокнами, являются прочность волокна на разрыв и отношение его длины к диаметру, а также способность волокна к деформированию в матрице. Из-за высокой прочности на разрыв и большого отношения длина/диаметр углеродные нанотрубки должны оказаться очень хорошим материалом для упрочне­ния композитов. В этой области уже проведена некоторая предварительная работа. Так, в исследовательском центре корпорации Дженерал Моторз, показано, что добавка 11,5 весовых процентов многослойных углеродных нанотрубок диаметром 0,2 микрона к полипропилену приводит к удвоению его прочности на разрыв. Исследования в Токийском Университете показали, что добавление 5 объемных процентов нанотрубок к алюминию также увеличивает прочность материала на разрыв вдвое по сравнению с так же обработанным алюминием, но без армирования. Композиты получали горячим прессованием и горячей экструзией. Алюминиевая пудра и углеродные нанотрубки смешивались и нагревались до температур выше 800 К в вакууме и затем сжимались стальными штампами. По­сле этого из расплава экструзией получали стержни. Эта работа очень важна тем, что в ней показано — углеродные нанотрубки можно ввести в алюминий, и при последующей обработке они остаются химически устойчивыми. Исследователи полагают, что получая более однородное распределение и лучшее упорядочивание по направлениям углеродных нанотрубок в материале можно достичь существенного увеличения прочности на разрыв. Теоретические оценки показывают, что при оптимальной доле трубок в материале около 10 объемных процентов его прочность на разрыв должна увеличиться в шесть раз.

102

Слайд 102

102 Однако, возможность проскальзывания стенок одна относительно другой в многослойных нанотрубках и проскальзывания отдельных однослойных нанотрубок в пучке может уменьшить реально достижимые значения прочности. Атомно гладкие поверхности нанотрубок могут привести к их слабому сцеплению с упрочняемым материалом. С другой стороны, показано, что углеродные нанотрубки могут образовывать прочные связи с железом, являющимся основным компонентом стали. Это позволяет искать возможности увеличения прочности на разрыв сталей с помощью углеродных нанотрубок. На рис. 5.26 показаны результаты вычисления прочности стали на разрыв в зависимости от объемной доли однослойных углеродных нанотрубок диаметром 10 нм и длиной 100 микрон по формуле, называемой уравнением Келли-Тайсона. Эти вычисления дают увеличение прочности стали в семь раз при 30-процентном содержании ориентированных углеродных нанотрубок. Несмотря на то, что все эти результаты выглядят очень многообещающими, предстоит сделать еще очень многое, особенно в области разработки методов введения нанотрубок в металлы и пластики. Это конкретное применение, как и некоторые другие из обсуждаемых выше, очевидно требует масштабного недорогого способа производства нанотрубок.

103

Слайд 103

103

104

Слайд 104

104

105

Слайд 105

105

106

Слайд 106

106 Углеродная нанотпрубка — зонд АСМ. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) использует острую иглу, установленную на кончике кантилевера, которым сканируют поверхность материала на небольшой высоте, измеряя прогиб кантилевера. Высокой чувствительности и разрешения можно добиться, работая в режиме квазиконтакта иглы с поверхностью. При этом измеряют изменение амплитуды рмещений кончика кантилевера, осциллирующего вблизи частоты резонанса, при легком касании поверхности зондом. Единственная сложность срстоит в том, что если поверхность слишком твердая, касание может сломать иглу. Использование в качестве материала иглы углеродных нанотрубок может стать решением данной проблемы. Нанотрубка прикреплялась к игле обычного кремниевого кантилевера сбоку с помощью мягкого акрилового клея, как показано на рис. 2.12. Если при ударе нанотрубки о поверхность возникает сила большая, чем критическая сила продольного изгиба, возникает неустойчивость Эйлера; нанотрубка изгибается, а не ломается, и затем возвращается в исходное состояние. Склонность нанотрубок к складыванию вместо разрушения делает повреждения кончика маловероятными. Нанотрубка, используемая в качестве зонда для АСМ, обладает еще одним полезным свойством: она служит в качестве демпфера, который смягчает удар при каждом касании поверхности. Такой зонд может быть применен и в контактных режимах измерения и латеральной компонент сил с поверхностью. Благодаря малому поперечному сечению и большому отношению длины к диаметру такого зонда, он может проникать в глубокие канавки на поверхности, которые для обычных зондов. Электропроводные нанотрубки могут использоваться и как зонды для туннельной микроскопии.

107

Слайд 107

107

108

Слайд 108

108

109

Слайд 109

109 Углеродная «нанотканъ». Совсем недавно ученым из университета г. Манчестер и Института микроэлектронных технологий (Черноголовка, Россия) удалось создать новый класс материалов толщиной всего в один атом. Это открытие может сделать возможным создание в будущем одномолеку-лярных вычислительных устройств. Исследовательский коллектив разработал методику выделения одиночных слоев атомов углерода из кристалла графита. Такая углеродная «наноткань», получившая название графен, является первым двумерным представителем семейства известных уже около 20 лет фуллереновых молекул. Графен очень прочен и гибок, а по электропроводности он сопоставим с углеродными нанотрубками. Используя стандартные технологии производства полупроводниковых чипов, ученые изготовили на его основе амбиполярный полевой транзистор, функционирующий при комнатной температуре. В настоящее время размер образцов графена не превосходит 10 мкм, участники проекта не видят принципиальных ограничений, которые бы препятствовали созданию фрагментов наноткани шири­ной в несколько сантиметров, пригодных для использования в компьютерных чипах.

110

Слайд 110

110

111

Слайд 111

111

112

Слайд 112

112

113

Последний слайд презентации: Лекция 2-2 ПМ: КОНЕЦ

113 КОНЕЦ

Похожие презентации

Ничего не найдено