Реферат на тему: “Углеродные нанотрубки” (стр. 3 )

Последующие исследования направлены на деталь­ное изучение особенностей капиллярных явлений в углеродных нанотрубках, которые проявляются при их заполнении материалами различной природы. Резуль­таты этих исследований указывают на связь между величиной поверхностного натяжения материала и возможностью его капиллярного втягивания внутрь углеродной нанотрубки. Некоторые из этих результатов представлены в обобщенном виде в табл. 1. Как видно, капиллярные свойства нанотрубок проявляются только в отношении материалов, обладающих доста­точно низким (менее 200 мН м-1) значением поверхност­ного натяжения в сжиженном состоянии.

Вещество	Поверхностное натяжение, мН м-1	Капиллярность
S Cs Rb Se Оксиды свинца Оксиды висмута Te Pb Hg Ga	43 61 67 77 80 97 (PbO ~ 132) ( ~ 200) 190 470 490 710	да да да да да да да да да нет нет нет нет

Таблица 1. Смачивающие свойства нанотрубок (температура близка к точке плавления)

Анализируя результаты экспериментов, посвящен­ных исследованию капиллярных явлений в нанотрубках, следует обратить внимание на роль кислорода, присут­ствие которого зачастую определяет эти результаты. Так, эксперименты по заполнению нанотрубок висму­том и свинцом, выполненные в вакууме, закончились неудачей, в то время как аналогичные эксперименты проведенные в присутствие атмосферного воздуха, при­вели к появлению капиллярного эффекта. Такой резуль­тат вполне объясним с точки зрения изложенных выше представлений о корреляции между капиллярными явле­ниями и величиной поверхностного натяжения соответ­ствующего расплава. Поверхностное натяжение расплав­ленных оксидов свинца и висмута значительно превы­шает соответствующее значение для чистых расплавлен­ных металлов, поэтому наличие кислорода, приводящее к образованию оксидов, способствует протеканию капиллярных явлений.

Хотя нанотрубки не проявляют капиллярные свойства для материалов с величиной поверхностного натяжения более 200 мН м-1, удалось решить эту проблему. Используют растворители, имеющие низкое поверхностное натяжение и способных по этой причине проникать в нанотрубки за счет явлений капиллярности. При этом в качестве растворителя используют концентрированную азотную кислоту, поверхностное натяжение которой относительно невелико ( около 43 мН м-1).

Существует другой эффективный способ получения нанотрубок, заполнение металлами и их соединениями, основан на технологии каталитического синтеза нанотрубок, в которых металлы используются в качестве катализатора. Т. е. отверстие в аноде заполняется смесью графитового и металлического порошка

Применение

  I.  Приборостроение

Ученые создали первый наномасштабный мотор на основе многостенных нанотрубок. Углеродная нанотрубка выполняет своего рода роль оси, на которой монтируется ротор. Максимальные размеры наномотора порядка 500 нм, ротор имеет длину от 100 до 300 нм, а вот нанотрубка-ось имеет в поперечнике размер всего несколько атомов, т. е. примерно 5-10 нм.

На основе нанотрубки возможно создание микроскопических весов. Для этого требуется преобразование электрических колебаний в механические. Для возбуждения колебаний нанотрубки под действием электрического поля ее закрепляют на одном из двух электродов, под углом ко второму электроду. При подаче на электроды электрического напряжения трубка заряжается и за счет электростатического притяжения отклоняется ко второму электроду. Если на электроды подать переменное напряжение, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний нанотрубки, зависящих от ее толщины и длины, возникнут механические колебания нанотрубки. Определив (спектроскопическими методами) частоту её собственных колебаний и прикрепив к ней исследуемый образец, можно определить частоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки: ведь масса системы увеличилась, а жесткость осталась прежней. Например, в ходе одного из экспериментов было обнаружено, что груз, уменьшающий частоту колебаний с 3.28 МГц до 968 кГц, имеет массу 22 8 фг (фемтограмм, т. е. 10-15 грамм).

Рис.1 Микроскопические весы нананотрубках

Другой пример, когда нанотрубка является частью физического прибора - это "насаживание" ее на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.

  II.  Наноэлектроника

Существует также применение в наноэлектронике - создание полупроводниковых гетероструктур, т. е. структур типа металл/полупроводник или стык двух разных полупроводников. В процессе роста нанотрубки создаётся в ней структурный дефект (заменяется один из углеродных шестиугольников пятиугольником и семиугольником (см. рис. 1). Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая – полупроводником.

Рис.1. Влияние дефекта семиугольник-пятиугольник на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов (б)

Необычные электрические свойства нанотрубок делают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов (см. Рис.2) на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.

Рис.2. первый транзистор p типа на основе углеродных нанотрубок

На кремниевой подложке, покрытой изолирующим оксидным слоем толщиной 300 нм, формировали параллельные платиновые полоски шириной по 200 нм, разнесенные на расстояние около 600 нм между их осями. Нанотрубку диаметром 1.4 нм и длиной около 1 мкм укладывали поверх полос так, чтобы она перемыкала две или три Pt-полоски, образуя с ними туннельные контакты. Это позволяло носителям заряда (дырки - в углеродной нанотрубке) участвовать в создании тока между соседними Pt-электродами, служащими истоком и стоком в полученном таким способом полевом транзисторе с изолированным затвором, роль которого играла Si-подложка.

Рис.3. Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой

  III.  Компьютерная индустрия

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, по оценкам специалистов, нанотехнологии позволят уже к 2007 году создать микропроцессоры, которые будут содержать около 1 миллиарда транзисторов и смогут работать на частоте до 20 гигагерц при напряжении питания менее 1 вольта.

Также предполагается разработка плат памяти принципиально нового образца, созданных на основе нанотехнологий. Так, компания Nantero Inc. активно занимается разработкой новых технологий, в частности, уделяет немалое внимание поиску способов создания энергонезависимой оперативной памяти (RAM) на основе углеродных нанотрубок. Было объявлено о том, что в ближайшее время возможно создание плат памяти ёмкостью 10 Гб. В связи с тем, что в основе строения устройства лежат нанотрубки, новую память предлагается называть NRAM (Nonvolatile (энергонезависимая) RAM).

Помимо этого, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.

Рассмотрим углеродную нанотрубку, закрепленную на катоде и ориентированную в направлении анода. Если на электроды подать напряжение соответствующей полярности, нанотрубка заряжается отрицательно, линии электрического поля вблизи заряженной нанотрубки искривляются и в окрестности острия нанотрубки напряженность поля становится огромной, причем тем больше, чем тоньше нанотрубка. Такое локальное поле может вырывать электроны из нанотрубки. Под действием внешнего поля летящие электроны формируются в пучок. Этот эффект, называемый автоэлектронной эмиссией, кроме дисплеев, используется для создания выпрямителей.

Рис.1. Схема дисплея, в котором используется автоэлектронная эмиссия из нанотрубок

В обоих случаях берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем из углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму. Если на электроды подается такое напряжение, что нанотрубка заряжается отрицательно, из нанотрубки на второй электрод излучается пучок электронов: ток в системе идет. При другой полярности нанотрубка заряжается положительно, электронная эмиссия из нее невозможна и ток в системе не идет.

Чтобы с помощью автоэлектронной эмиссии получить изображение, на аноде закрепляют люминофор. Электронный удар возбуждает молекулы люминофора, которые затем переходят в основное состояние, излучая фотоны. Например, при использовании в качестве люминофора сульфида цинка с добавками меди и алюминия наблюдается зеленое свечение, а при добавлении серебра - синее. Красный цвет получают с помощью легированного европием оксида иттрия.