Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364150
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62792)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21697)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8694)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3463)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20645)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Реферат: Методы получения нанотрубок

Название: Методы получения нанотрубок
Раздел: Рефераты по физике
Тип: реферат Добавлен 09:08:12 14 июня 2011 Похожие работы
Просмотров: 365 Комментариев: 2 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

5.4.1. Методы получения

Углеродные нанотрубки можно получить лазерным испарением , углеродной дугой и химическим осаждением паров. На рис. 5.12 показана установка для производст­ва наногрубок лазерным испарением. Кварцевая труба, содержащая газообразный аргон и мишень из графита, нагревается до 1200°С. Внутри трубки, но за пределами печи находится охлаждаемый водой медный коллектор. Графитовая мишень содер­жит небольшие количества кобальта и никеля, выступающие в качестве каталити­ческих зародышей образования нанотрубок. При попадании высокоинтенсивного

пучка импульсного лазера на мишень графит испаряется. Поток аргона вьносит атомы углерода из высокотемпературной зоны к охлаждаемому медному коллектору, на котором и происходит образование нанотрубок. Таким методом можно получить трубки диаметром 10 - 20 нм и длиной 100 микрон. Нанотрубки можно синтезировать, используя и углеродную дугу. К элект­родам из углерода диаметром 5-20 мм, разнесенным на расстояние около 1 мм, в потоке гелия при давлении 500 Торр прикладывается напряжение 20 - 25 В. Атомы углерода вылетают из положительного электрода и образуют нанотрубки на отрицательном, при этом длина положительного электрода уменьшается, а на отрицательном электроде

Для получения однослойных нанотрубок добавляют небольшие количества кобальта, никеля или железа в качестве катализаторов. Если не ис­пользовать катализаторы, получаются вложенные или многослойные нанот­рубки, то есть нанотрубка внутри нано­трубки, как показано на рис. 5.13. Ду­говым методом можно получить одно­слойные нанотрубки диаметром 1 - 5 нм и длиной порядка 1 мкм.

Метод химического осаждения из паровой фазы заключается в разложе­нии газообразного углеводорода, на­пример, метана (СН4 ), при температуре 1100°С. При разложении газа образуют­ся свободные атомы углерода, конден­сирующиеся затем на более холодной подложке, которая может содержать разнообразные катализаторы, такие как железо. Этот процесс позволяет по­лучать продукт непрерывно и, возмож­но, является наиболее предпочтитель­ным для увеличения масштабов при промышленном производстве.

Механизм роста нанотрубок до сих пор неясен. Так как для роста одно­слойных трубок необходим металличе­ский катализатор, механизм должен объяснять роль атомов кобальта или никеля. Одно из предложений, называ­емое «механизмом скутера», состоит в том, что атомы металлического ката­лизатора присоединяются к оборван­ным связям на открытом конце трубки и обегая ее по краю, способствуют захвату атомов углерода из паровой фазы и их встраиванию в стенку трубки.Обычно при синтезе получается смесь нанотрубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности. Группа из IBM разработала метод отделения полутгроводящих нанотрубок от металлических. Для разделения сме­шанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую подложку, а затем на эти пучки напыляют металлические электроды. Используя подложку как электрод, на него подают небольшое напряжение смещения, запирающее полупроводни­ковые трубки и эффективно превращающее их в изоляторы. Затем между метал­лическими электродами прикладывается высокое напряжение, создающее большой ток в металлических нанотрубках, что приводит к их испарению, после чего на подложке остаются только полупроводниковые нанотрубки.

5.4.2. Структура

Углеродные нанотрубки могут иметь различную атомную структуру, причем труб­ки разной структуры имеют разные свойства. Хотя углеродные нанотрубки в дей­ствительности и не образуются путем сворачивания графитовых плоскостей, раз­ные структуры трубок можно разъяснить, рассматривая мысленные способы сво­рачивания графитового листа в цилиндр. Так, например, нанотрубку можно получить сворачивая графитовый лист вокруг оси Г, показанной на рис. 5.14. Век­тор Ch перпендикулярен Т и направлен вдоль окружности трубки. Три примера структуры нанотрубок, получающихся при сворачивании графитового листа во­круг вектора Т, по разному ориентированного относительно базисных направле­ний графитовой плоскости, показаны на рис. 5.11. Когда вектор Г перпендикуля­рен С — С связям в углеродных шестиугольниках, образуется структура, показан­ная на рис. 5.11а и называемая кресельной. Трубки, показанные на рис. 5.116 и 5.11 в, называют соответственно трубками зигзаговой и хиральной структуры. Они образуются сворачиванием вокруг других ориентации вектора Готноситель-но графитового листа. Рассматривая трубку хиральной структуры, можно увидеть спиральный ряд атомов углерода. Обычно нанотрубки закрыты с обоих концов, что требует введения пятиугольных топологических структур на каждом конце цилиндра. По существу, трубка является цилиндром, каждый конец которого закрыт половинкой большой фуллереноподобной структуры. В случае односген­ной нанотрубки на ее концах можно обнаружить металлические частицы, что свидетельствует в пользу каталитической роли атомов металла в формировании структуры трубки.

5.4.3. Электрические свойства

Наиболее интересное свойство углеродных нанотрубок заключается в том, что они могут быть металлическими или полупроводящими в зависимости от их ди­аметра и хиральности. Термин хиральность относится к направлению Гсворачи-вания трубки относительно графитового листа, как описано выше. В ре­зультате синтеза обычно получается смесь трубок, две трети которых имеют полупроводящие свойства, и одна треть - металлические. Металличес­кие трубки обычно имеют кресельную структуру, показанную на рис. 5.11а. На рис. 5.15 приведена зависимость ширины щели полупроводящих нано­трубок от их обратного диаметра, по­казывающая, что при увеличении диа­метра трубки щель уменьшается. Для исследования электронной струк­туры углеродных нанотрубок исполь­зовалась сканирующая туннельная ми­кроскопия (СТМ) в режиме локальной электронной спектроскопии. В этих измерениях положение зонда фикси­ровалось над нанотрубкой, и регистри­ровалась зависимость туннельного то­ка/от напряжения V, приложенного между зондом и нанотрубкой. Найден­ная таким образом проводимость G = I / V напрямую связана с локальной плотностью электронных состояний (см. Главу 2). Она является мерой то­го, насколько близко уровни энергии лежат друг к другу. На рис. 5.16 пока­заны данные СТМ-спектроскопии в виде зависимости нормализованной дифференциальной проводимости ( dI / dV )/( I / V ) от приложенного между

трубкой и зондом напряжения V. Для верхнего спектра ( dI / dy )/( I / V ) = 1 в широ­кой области V, что означает выполнение закона Ома. Из нижнего графика ясно следует наличие энергетической щели в материале. Она расположенной в облас­ти энергий, которая соответствует малым приращениям тока. Ширина этой обла­сти по напряжению является мерой величины щели. Для полупроводника, пока­занного на нижнем графике рис. 5.16, она составляет 0,7 эВ.

При больших напряжениях К наблюдаются острые пики в плотности состоя­ний, называющиеся сингулярностями ван Хоффа и характеризующие проводя­щие материалы низкой размерности. Пики появляются на дне и потолке множе­ства подзон. Как уже обсуждалось выше, электроны в квантовой теории можно рассматривать как волны. Если длина волны электрона не укладывается целое число раз на длине окружности трубки, она интерферирует сама с собой с пога­шением, так что разрешены только такие длины волн электронов, которые укла­дываются целое число раз на периметре трубки. Это сильно ограничивает количе­ство состояний, пригодных для проводимости вокруг цилиндра. Доминирующим направлением проводимости остается направление вдоль трубки, что функцио­нально делает углеродную нанотрубку одномерной квантовой проволокой. Более подробное обсуждение квантовых проволок будет проведено позднее, в Главе 9. Электронные состояния трубки не образуют одной широкой непрерывной энер­гетической зоны, а разбиваются на одномерные подзоны, наблюдаемые на рис. 5.16. Как будет показано далее, такие состояния можно моделировать кван­товой ямой в виде колодца с глубиной, равной длине нанотрубки.

Исследования транспорта электронов на отдельных однослойных нанотруб-кахдали следующие результаты. Измерения приТ = 0.001 К на металлической на-нотрубке, 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. Это напоминает полевой транзистор на углеродной нанотрубке, обсуждае­мый далее и показанный на рис. 5.21. Ступеньки на вольт-амперной характерис­тике являются следствием одноэлектронного туннел и рования и резонансного туннелирования через отдельные молекулярные орбитали. Одноэлектронное ту-нелирование происходит когда емкость трубки настолько мала, что добавление одного электрона вызывает изменение электростатической энергии, большее, чем тепловая энергия кв Т. Электронный перенос блокируется при низких напря­жениях, что называется кулоновской блокадой и подробнее обсуждается в Главе 9 (параграф 9.5). 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 не приводит к локализации из-за того, что его влияние усредняется по всему периметру трубки. Это происходит вследствие тороидальной формы вол­новой функции, напоминающей пон­чик.

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 ж 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.

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 G — \/ R — 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.

5.4,4, Колебательные свойства

Атомы в молекуле или ианочастице участвуют в непрерывном тепловом движе­нии. Каждая молекула обладает специфическим набором колебательных дви­жений, называемых нормальными колебательными модами, определяющимися симметрией молекулы. Так, молекула двуокиси углерода С02 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. Аналогично, углеродные нанотрубки имеют свои нормальные колебательные моды, две

из которых проиллюстрированы на

рис. 5.19. Одна мода, обозначаемая A , g , состоит в осцилляции диаметра труб­ки. Другая мода, обозначаемая Е,р 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 Alg от радиуса трубки, обычно используемая в настоящее время для измерения радиуса нанотрубок.

5.4.5. Механические свойства

Углеродные нанотрубки очень прочны. Если к концу тонкой проволоки, при­крепленной к потолку комнаты, присоединить вес И7 , то проволока растянется. Механические напряжения S в проволоке определяются как отношение нагрузки, или веса, к поперечному сечению А проволоки:

А

Относительная деформация е определяется как отношение удлинения ДХ прово­локи к ее длине L :

. =f

где L длина проволоки перед нагружением. Закон Гука утверждает, что увеличе­ние длины проволоки пропорционально силе, приложенной к концу проволоки.

В более общем виде говорят, что на­пряжение а пропорционально относи­тельной деформации е:

о=Ее (5.5)

Коэффициент пропорциональности Е — LW / A AL называется модулем Юнга и является свойством конкрет­ного материала, характеризующим его упругость. Чем больше значение мо­дуля Юнга, тем материал менее подат­лив. Модуль Юнга стали примерно в 30000 раз больше, чем резины. Мо­дуль Юнга углеродных нанотрубок ко­леблется от 1,28 до 1,8 ТПа. Одинтера-паскаль (ТПа) примерно» J О7 раз боль­ше атмосферного давления. Модуль Юнга стали составляет 0,21 ТПа, что означает - модуль Юнга углеродной нанотрубки почти в десять раз больше, чем у стали. Это подразумевает, что угле­родная нанотрубка очень жесткая и трудно сгибаемая. Однако это не совсем так из-за того, что трубка очень тонка. Отклонение пустого цилиндрического стерж­ня длиной L , внутренним радиусом /•,■ и внешним радиусом г0 под действием силы F , приложенной к его концу нормально к оси, дается выражением

pi }

D = -— (5.6) 3£/

где / - момент инерции сечения стержня, равный в данном случае л{г* — г*)/4. Так как толщина стенки однослойной нанотрубки составляет примерно 0.34 нм, значение г* г* очень мало, что отчасти компенсирует большое значение Е.

Углеродная нанотрубка очень упруга при изгибе. Она гнется как соломинка, но не ломается и может распрямиться без повреждений. Большинство материа­лов ломаются при изгибе из-за присутствия дефектов, таких как дислокации и границы зерен. Так как стенки углеродных нанотрубок имеют мало структур­ных дефектов, этого не происходит. Другая причина того, что они не ломаются, состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде почти правильных шести­угольников при изгибе меняют свою структуру, но не рвутся. Это является уни­кальным следствием того факта,, что углерод-углеродные связи sp 1 гибридизиро-ваны и могут перегибридизироваться при изгибе. Степень изменения и коэффи­циенты s ~ p смешивания зависят от того, насколько изогнуты связи.

Разумеется, прочность и жесткость — не одно и то же. Модуль Юнга является мерой жесткости или упругости материала. Предел прочности характеризует не­обходимое для разрыва напряжение. Предел прочности однослойной углеродной нанотрубки составляет 45 ГПа, в то время как стальные сплавы разрушаются при 2 ГПа. Таким образом, углеродные нанотрубки примерно в 20 раз прочнее стали. Многослойные нанотрубки тоже имеют лучшие, чем у стали, механические ха­рактеристики, но они не так высоки, как у однослойных нанотрубок. Например, многослойная нанотрубка диаметром 200 нм имеет предел прочности 0,007 ТПа (7 ГПа) и модуль Юнга 0,6 ТПа.

5.5. Применения углеродных нанотрубок

Необычные свойства углеродных нанотрубок допускают множество возможных применений: от электродов батареек до электронных устройств и армирующих волокон для получения более прочных композитов. В этом разделе будут описа­ны некоторые потенциальные применения, над которыми уже ведется работа. Однако для реализации этого потенциала необходимо разработать технологию крупномасштабного производства однослойных нанотрубок. Существующие ме­тоды синтеза обеспечивают лишь небольшой выход конечного продукта, стои­мость которого на сегодня составляет около 1 500$ за грамм (680 000$ за фунт). С другой стороны, разработаны основанные на химическом осаждении методы крупномасштабного производства многослойных нанотрубок стоимостью 60$ за фунт, причем при увеличении спроса ожидается дальнейшее существенное паде­ние этой цифры. Методы, используемые для увеличения масштабов производст­ва многослойных нанотрубок, должны лечь в основу широкомасштабного произ­водства и однослойных нанотрубок. Можно надеяться, что из-за их громадного потенциала использования будут разработаны технологию крупнотоннажного синтеза, что приведет к падению цен до цифр порядка 10$ за фунт.

5.5.1. Полевая эмиссия и экранирование

При приложении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит очень интенсивная эмиссия электронов. Подобные явления называют полевой эмиссией. Этот эффект легко наблюдать, прикладывая не­большое напряжение между двумя параллельными металлическими электрода­ми, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок. Достаточное количество трубок окажутся перпендикулярными электроду, что позволяет на­блюдать полевую эмиссию. Одно из применений этого эффекта состоит в усо­вершенствовании плоских панельных дисплеев. Мониторы телевизоров и ком­пьютеров используют управляемую электронную пушку для облучения люми­несцентного экрана, испускающего свет требуемых цветов. Корейская корпорация Samsung разрабатывает плоский дисплей, использующий электрон­ную эмиссию углеродных нанотрубок. Тонкая пленка нанотрубок помещается на слой с управляющей электроникой и покрывается сверху стеклянной пластиной, покрытой слоем люминофора. Одна японская компания использует эффект эле­ктронной эмиссии в осветительных вакуумных лампах, таких же ярких, как и обычные лампы накаливания, но более эффективных и долговечных. Другие исследователи используют эффект при разработке новых способов генерации микроволнового излучения.

Высокая электрическая проводимость углеродных нанотрубок означает, что они будут плохо пропускать электромагнитные волны. Композитный пластик с нанотрубками может оказаться легким материалом, экранирующим электро­магнитное излучение. Это очень важный вопрос для военных, развивающих идеи цифрового представления поля боя в системах управления, контроля и свя­зи. Компьютеры и электронные устройства, являющиеся частями такой систе­мы, должны быть защищены от оружия, генерирующего электромагнитные им­пульсы.

5.5.2. Компьютеры

Недавно была показана возможность конструирования полевых транзисторов, являющихся переключающими элементами в компьютере, на основе полупро­водниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Схе­матически такое устройство показано на рис. 5.21. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. Если ток течет, элемент находится в состоя­нии «включено», и в состоянии «выключено» - в противном случае. Обнаруже­но, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанот­рубки более чем в 106 раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого устройства будет очень маленьким, а возможная тактовая частота оценочно может составить Терагерц, что в 1 ООО раз быстрее существующих процессоров. Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии, а диаметр соединяющей их нанотрубки составляет порядка одного нанометра. Такие малые размеры позволят в перспективе помес­тить на чип большее количество переключателей. Следует особо отметить, что пока такие устройства делаются в ла­бораторных условиях поштучно, а для использования в приложениях, таких как компьютерные чипы, еще предсто­ит разработать недорогие способы массового создания подобных элемен­тов на чипе.

Основной целью разработчиков компьютерной техники является уве­личение количества переключателей на чипе. Подход к этой проблеме за­ключается в использовании переклю­чателей меньшего размера, более гон­ких соединяющих их проводников и в более плотной упаковке элементов на чипе. Однако при использовании существующих переключателей и со­единяющих их металлических прово­дов на этом пути возникают некоторые трудности. При уменьшении попереч­ного сечения металлического, напри­мер, медного проводника увеличивает­ся его сопротивление, а, следователь­но, и выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может достигать та­ких значений, при которых возникает опасность плавления или испарения проводников. Однако углеродные на­нотрубки диаметром 2 нм имеют чрез­вычайно низкое сопротивление, что позволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это дела­ет их пригодными в качестве соединительных проводов. Очень высокая тепло­проводность нанотрубок означает, что их можно использовать и в качестве тепло-отводов, позволяющих быстро уносить с чипа избыточное тепло.

Другой активно развиваемой идеей является создание компьютера из нанот­рубок. Компьютер был бы массивом параллельных нанотрубок на подложке. Над ними с небольшим промежутком располагался бы массив нанотрубок, пер­пендикулярных нижним. Каждая трубка соединялась бы с металлическим элект­родом. Эта идея схематически проиллюстрирована на рис. 5.22. Точки пересече­ния являлись бы переключателями компьютера. Когда трубки не касаются в точ­ке пересечения, переключатель выключен, так как сопротивление между ними велико. Во включенном состоянии трубки касаются друг друга, а сопротивление соединения мало. Управление состоянием включено/выключено может осуще­ствляться токами, текущими по трубкам. По оценкам исследователей на квадрат­ном сантиметре чипа можно разместить 1012 таких элементов. На современных процессорах Пентиум расположено около 10s переключателей. Скорость пере­ключения таких устройств оценочно должна быть в 100 раз выше, чем на нынеш­нем поколении интеловских чипов. В идеале хотелось бы иметь полупроводящую трубку внизу и металлическую наверху, тогда при контакте образуется переход ме­талл-полупроводник, пропускающий ток только в одном направлении. Такой пе­реход был бы выпрямителем.

5.5.3. 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, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и кислорода образу­ются молекулы воды- Такой системе необходим источник водорода. Одна из возможностей состоит в хранении во­дорода внутри углеродных нанотрубок. По существующим оценкам, 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 от-рицаетельный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(OH)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 ра-мановского рассеяния, как показано на рис. 5.24, на котором представлены рамановские спектры материала до и по­сле того, как он был подвергнут вышеописанной электрохимической обработке.

5.5.4. Химические сенсоры

Установлено, что полевой транзистор, аналогичный показанному на рис. 5.21 и 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 ppmN02 , 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 N02 , демонстриру­ющая еще больший эффект. Эти данные получены при напряжении затвора, составлявшем 4 В. Такой эффект обусловлен тем, что при связывании N02 с нанотрубкой заряд перено­сится с нанотрубки на группу N02 , 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.

5.5.5. Катализ

Катализатором называется вещество, обычно металл или сплав, увеличивающее скорость протекания химической ре­акции. Для некоторых химических ре­акций углеродные нанотрубки являют­ся катализаторами. Например, показа­но, что многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами рутения имеют сильный каталитичес­кий эффект на реакцию гидрогениза­ции коричного альдегида (С6 Н5 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 NiO до металлического никеля и А1С13 до алю­миния. Поток газообразного водорода Н2 при 475°С частично восстанавливает Мо03 до Мо02 с сопутствующим образованием паров воды внутри многослой­ных нанотрубок. Кристаллы сульфида кадмия CdS образуются внутри нанотру­бок при реакции кристаллического оксида кадмия CdO с сероводородом (H2 S) при 400°С.

5.5.6. 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.

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.

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Где скачать еще рефератов? Здесь: letsdoit777.blogspot.com
Евгений08:39:03 19 марта 2016
Кто еще хочет зарабатывать от 9000 рублей в день "Чистых Денег"? Узнайте как: business1777.blogspot.com ! Cпециально для студентов!
12:00:23 29 ноября 2015

Работы, похожие на Реферат: Методы получения нанотрубок

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(151363)
Комментарии (1844)
Copyright © 2005-2016 BestReferat.ru bestreferat@mail.ru       реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru