Углеродные нанотрубки

Содержание

Слайд 2

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Третью форму углерода, карбин, открыли в 60-х годах прошлого

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Третью форму углерода, карбин, открыли в 60-х годах прошлого

века. Он представляет собой линейную структуру или
. Поликристаллический карбин испоьзуется для создания сверхпрочных углеродных волокон. Цепочки карбина иногда наблюдаются внутри нанотрубок.
В 1985 г. была открыта новая форма углерода - фуллерены.
Слайд 3

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ В настоящее время открыты различные формы фуллеренов от до

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ


В настоящее время открыты различные формы фуллеренов от
до

гигантских, состоящих из сотен
атомов, многослойных матрешек
луковичных структур и т.д.
Биосфера Фуллера (Павильон США
на Экспо-67, ныне музей «Биосфера»
в Монреале, Канада.
Слайд 4

Графен За открытие еще одной формы углерода, графена А. К. ГеймуЗа

Графен

За открытие еще одной формы углерода, графена А. К. ГеймуЗа открытие

еще одной формы углерода, графена А. К. Гейму и К. С. НовосёловуЗа открытие еще одной формы углерода, графена А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премияЗа открытие еще одной формы углерода, графена А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физикеЗа открытие еще одной формы углерода, графена А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год
Слайд 5

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Углеродные нанотрубки (УНТ) - протяжённые структуры, состоя-щие из свёрнутых

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Углеродные нанотрубки (УНТ) - протяжённые структуры, состоя-щие из свёрнутых гексагональных

сеток с атомами углерода в узлах, открытые в 1991 году японским исследователем Ииджимой как по-бочные продукты синтеза фуллеренов. Для этого использовался разряд вольтовой дуги в атмосфере гелия, в результа-
те которого выделялось огромное количество сажи,
содержавшей молекулы и других фуллеренов.
Ииджима исследовал «отходы» реакции осаждавшие-
ся на катоде. Измерения, выполненные с помощью
электронного микроскопа, показали, что диаметр ни-
тей, образующих осадок, представляющих полые
цилиндрические объекты не превышает нескольких нанометров,
а длина от одного до нескольких микрон.
Слайд 6

Углеродные нанотрубки Атомы углерода расположены на поверхности трубки в вер-шинах правильных

Углеродные нанотрубки

Атомы углерода расположены на поверхности трубки в вер-шинах правильных шестиуго-льников.

Диаметр такой трубки – около 1 нм, а длина может достигать нескольких десятков микрометров. Если некоторые шестиугольники на поверхнос-ти трубки заменять на пяти-угольники (сознательно вводя «дефекты»), то можно опреде-ленным образом изгибать такие трубки.

Сумио Ииджима
Профессор Токийского университета

Слайд 7

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ двухслойная нанотрубка прямая нанотрубка спиральная нанотрубка молекула фуллерена

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
двухслойная нанотрубка
прямая нанотрубка
спиральная нанотрубка
молекула фуллерена

Слайд 8

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Идеальная нанотрубка - цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Идеальная нанотрубка - цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки

графита без швов. Углеродную нано-трубку легко представить, если вообразить, что вы сворачиваете в трубку один молекулярный слой графита – графен.
Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет ее хиральность - стереохимическое свойство, означающее несовместимость объекта со своим зеркаль-ным отображением.
Слайд 9

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Классификация УНТ Для получения нанотрубки моно- слой графита (графен)

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Классификация УНТ
Для получения нанотрубки моно-
слой графита (графен) надо мыс-
ленно разрезать

по направлениям
пунктирных линий (см. Рис.) и
свернуть в цилиндр вдоль направ-
ления вектора R , указывающего
координаты шестиугольника,
который в результате сворачи-
вания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящим-ся в начале координат.
Основная классификация нанотрубок проводится по способу свора-чивания графеновой плоскости, который задается двумя числами n и m, описывающими разложение вектора R на вектора трансляции графитовой решетки r1и r2 и определяющими угол α между направ-лением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором сосед-ние шестиугольники имеют общую сторону. Два параметра
Слайд 10

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ n и m определяют одну из основных характеристик нанотрубки

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

n и m определяют одну из основных характеристик нанотрубки –

ее хиральность, т.е возможность или невозможность совмещения со своим зеркальным изображением. Хиральность (от др.-греч. χείρ рука) - отсутствие симметрии относительно правой и левой сторо-ны, т. е. невозможность совмещения в пространстве со своим зеркальным изображением (как правая и левая рука, которые являются зеркальными отображениями, но не могут быть совмещены в пространстве).
Индексы хиральности однослойной (single-walled–SWNT) нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют ее диаметр D:
,
где =0,142 нм - расстояние между атомами углерода в гексаго-нальной сетке графита.
Хиральность нанотрубки может быть также однозначно определена углом α. Имеется очень много вариантов свёртывания нанотрубок, но среди ниx выделяются те, при которых не происходит искажения
Слайд 11

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы α =0

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы α =0 и

α =30°, что соответствует хиральности (m, 0) и (2n, n).
Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведённые расчёты показа-ли, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать метал-лическим типом проводимости, а также иметь повышенную стаби-льность и устойчивость по сравнению с трубками других хираль-ностей. Справедливость этих утверждении была экспериментально подтверждена в 1996 году, когда впервые был осуществлён синтез нанотрубок с D=1,36 нм, что соответствует хиральности (10,10).
Получение нанотрубок
Методы выращивания нанотрубок можно классифицировать по двум основным направлениям: высокотемпературному и среднетем-пературному, использующему химические транспортные реакции. Высокотемпературный метод основан на испарении графита дуговым разрядом или лазером.
Слайд 12

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ При дуговом разряде один из графитовых электродов (анод) содер-жит

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
При дуговом разряде один из графитовых электродов (анод) содер-жит частицы

катализаторов, а именно Fe, Ni, Co или редкоземель-ные элементы. Реактор дугового разряда состоит из цилиндра диа-метром 30 см и длиной порядка 1 м. Из реактора предварительно от-качивается воздух, а потом объем заполняется рабочим инертным газом, давление которого составляет порядка 600 мбар. Поджига-ется дуговой разряд с током более 60 А. Продукты распыления осаждаются на стенках камеры и на поверхности катода (до 90%). В катодном осадке содержатся многообразные наночастицы углерода, в том числе и нанотрубки (60%). Распределение нанотрубок по размерам и хиральностям определяется условиями горения дуги.
Слайд 13

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ УНТ можно получать, испаряя графитовый электрод с катализато-ром лучом

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

УНТ можно получать, испаряя графитовый электрод с катализато-ром лучом лазера

в потоке инертного газа. УНТ осаждаются на медный, охлаждаемый водой, электрод.
Метод химических транспортных реакций заключается в осаждении УНТ при пиролизе углеводорода, например ацетилена, в присутст-вии катализатора при температуре 700-900оС. Температура роста и вещество катализатора влияют на свойства трубок.
Получение УНТ различных размеров при изменении температуры роста: а) 7500C; б) 9000C
Возможности использования нанотрубок в молекулярной электро-нике неизмеримо возрастают при переходе от чисто углеродных к химически модифицированным, в том числе металлизированным.
Слайд 14

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Механические свойства УНТ УНТ - чрезвычайно прочный материал и

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Механические свойства УНТ
УНТ - чрезвычайно прочный материал и на

растяжение и на изгиб. Под действием механических сил, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются. Как показывают резуль-таты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали. На графике сравниваются однос-лойная нанотрубк (Single Wall NanoTube) и высокопрочная сталь.
удлинение (%)
Слайд 15

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ УНТ являются наилучшим материалом для троса космического лифта. Такой

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

УНТ являются наилучшим материалом для троса космического лифта. Такой трос

из самых прочных существующих материалов должен иметь клиновидную однородную структуру с диаметром троса у GEO (geostationary Earth orbit) около 2 км и 1 мм у поверхности Земли. Если в качестве материала использовались углеродные нанотрубки, то диаметр троса у GEO составит 0,26 мм и 0,15 мм у поверхности Земли. Таким образом, углеродное наново-локно - материал, который необходим для изготовления троса, реальный диаметр которого составит около 0,75 м, чтобы выдержать электромагнитную систему, использующуюся для движения кабины космического лифта.
Электрические свойства
Нанотрубки обладают рядом важных для электроники свойств. Они могут быть полупроводниками и иметь металлическую проводимость. Величину и тип проводимости полупроводниковых трубок можно изменять при помощи внешних воздействий.
Слайд 16

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Электрические свойства нанотрубок, достаточно высокая электро-проводность и хорошая теплопроводность

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Электрические свойства нанотрубок, достаточно высокая электро-проводность и хорошая теплопроводность делают

их перспектив-ным материалом наноэлектроники.
Зависимость электрических свойств от структуры позволяет форми-ровать на индивидуальной нанотрубке р-n- и гетеропереходы. Если в нанотрубку, состоящую из 6-угольных ячеек, внедрить дефекты в виде 5- и 7-угольных ячеек, расположенных на противоположных концах диаметра, то нанотрубка изогнется. АСМ-изображение изогнутой нанотрубки, на кварцевой подложке и имеющей контакт с золотыми электродами, приведено на рисунке. Вольт-амперная характеристика изогнутой нанотрубки нелинейна. Верхняя прямо-линейная часть (до изгиба) имеет металлическую проводимость; ее вольт-амперная характеристика линейна. Проводимость ее нижней и верхней частей различна из-за разной ориентации сеток ячеек относительно оси трубки. Можно получить трубки с полупроводни-ковой и металлической частями. Такая нанотрубка работает, как выпрямляющий диод (диод Шоттки).
Слайд 17

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ АСМ-изображение изогнутой нанотрубки на кварцевой подложке (б); вольт-амперная характеристика

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
АСМ-изображение изогнутой нанотрубки на кварцевой подложке (б); вольт-амперная характеристика перехода,

возникшего на изгибе нанотрубки: приведена ВАХ (вольт-амперная характеристика ) верхней прямолинейной части нанотрубки.
В структуре полевого транзистора (исток-затвор-сток) с полупро-
водниковой нанотрубкой в роли канала можно уменьшать проводи-мость нанотрубки с помощью электрического поля затвора на 6 порядков, то есть превращать нанотрубку в диэлектрик.
Слайд 18

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Электропроводность. Проводимость нанотрубки имеет квантовый характер, причем движение электронов

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Электропроводность. Проводимость нанотрубки имеет квантовый характер, причем движение электронов в

нанотрубке может проис-ходить как вдоль оси, так и по ее периметру. Движение по окруж-ности возможно при условии, что на ее длине укладывается целое число длин волн де Бройля.
Нанотрубка является квантовым баллистическим проводом (нитью), Как известно, если квантовый провод является одновременно и про-водником, то его электропроводность квантуется. Это наблюдается при сверхнизких температурах. При комнатных температурах кван-тование проводимости наблюдается в металлических проволоках длиной в несколько нанометров и шириной, составляющей доли нм.
Вычислим величину кванта
сопротивления. Пусть между сечениями А и В нанотрубки
приложено напряжение U , а
сила тока в ней равна I. .
Слайд 19

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ изменение энергии электрона между сечениями А и В составляет

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

изменение энергии электрона между сечениями А и В составляет

. Это изменение энергии электрона произошло с ним за интервал времени пролета между сечениями А и В. Из соотно-шения неопределенностей Гейзенберга следует :
.
Нанотрубка – одномерная квантовая структура, поэтому в ней по принципу Паули могут находиться только два электрона, с разными значениями спина, тогда ток I равен: . Откуда квант
сопротивления равен: .
Слайд 20

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Исследования показывают, что нагрев нанотрубок не происходит при плотностях

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Исследования показывают, что нагрев нанотрубок не происходит при плотностях тока

109 А/см2, в то время как медный провод плавится при плотности до 106 А/см2.
Нанотрубки обладают хорошей автоэмиссионной способно- стью, которая происходит с их вершины.
Сверхпроводимость УНТ была открыта французскими и российс-кими исследователями, проводившими измерения вольт-амперных характеристик отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм, свернутых в жгут большого числа однослойных нанотрубок, а также индивидуальных многослойных нанотрубок. Сверхпрово-дящий ток при температуре, близкой к 4К, наблюдался между двумя сверхпроводящими металлическими контактами.
Проводимость однослойной нанотрубки резко изменяется при небольшом 5-10° изгибе. УНТ оказывается высокочувствительным преобразователем механических колебаний в электрический сигнал
Слайд 21

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ и обратно (телефонная трубка длиной в несколько микрон и

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

и обратно (телефонная трубка длиной в несколько микрон и диамет-ром

около 1 нм) и высокочувствительным датчиком деформаций.
УНТ можно применять для создание полупроводниковых гетеро-структур. В процессе роста нанотрубки в ней создаётся структур-ный дефект (заменяется один из углеродных шестиугольников пятиугольником и семиугольником). Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая – полупроводником.
Необычные электрические свойства нанотрубок делают их одним из основных материалов наноэлектроники. Созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, удается изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.
Слайд 22

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ В настоящее время ведутся исследования по применению нанотрубок в

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

В настоящее время ведутся исследования по применению нанотрубок в различных

областях: электронике, химии, измерительной технике, производстве материалов, медицине, энергетике и др. Диапазон использования нанотрубок широк: химические источники тока и экраны телевизоров, шестерни в наномеханизмах и сверхчувствительные химические сенсоры, искусственные мускулы и логические ячейки в процессорах, радиозащитные экраны и наноэлектронные схемы, «баки» с водородным топливом для двигателей автомобилей и весы (с чувствительностью 10-18 г), композитные материалы и ткани, и т. д. Уже реализованы на практике экраны телевизоров на нанотрубках и различные композиционные материалы с особыми свойствами. УНТ – материал будущего.
Слайд 23

ГРАФЕН Графен: на пороге двумерной электроники Коммерческое использование нового материала станет

ГРАФЕН

Графен: на пороге двумерной электроники
Коммерческое использование нового материала станет возможным уже

через пару лет
Графен был получен всего несколько лет назад и уже занял ведущее место среди новых суперматериалов, которые, по оценкам экспер-тов, могут радикально преобразовать современную электронику. Этот двухмерный материал (толщиной в 1 атом) с гексагональной кристаллической структурой отличается необычными механичес-кими и электрическими свойствами. По прочности на разрыв он превосходит сталь в 200 раз, а масса пленки графена толщиной в один атомный слой размером с футбольное поле составляет менее 1 г. Его удельное сопротивление при комнатной температуре равно ~1 мкОм·см, что на 35% меньше, чем у меди. Уникальные электронные свойства графена проявляются и в оптике.
Удельная проводимость графена никогда не падает ниже кванта проводимости , независимо от дефектов и количества слоев.
Слайд 24

ГРАФЕН

ГРАФЕН

Слайд 25

ГРАФЕН Двухслойный графен Если между двумя слоями графена есть разность потенциалов,

ГРАФЕН
Двухслойный графен

Если между двумя слоями графена есть разность потенциалов, то в

энергетическом спектре появляется щель, величиной которой можно управлять локально
Слайд 26

ГРАФЕН Графан

ГРАФЕН
Графан

Слайд 27

ГРАФЕН Туннельный эффект в графене

ГРАФЕН
Туннельный эффект в графене

Слайд 28

ГРАФЕН

ГРАФЕН

Слайд 29

ГРАФЕН

ГРАФЕН

Слайд 30

ГРАФЕН

ГРАФЕН

Слайд 31

ГРАФЕН

ГРАФЕН

- Предыдущая
Сan you write a letter?
Следующая -
СКЭС-2027

Похожие презентации

Проектирование ТРДДФ для многоцелевого истребителя с модификацией маслосистемы
Табиғи үдерістерді физика, химия, механика, тағы басқа жаратылыстану ғылымдары зерттейді
Конструкция и элементы передней подвески Форд Мондео
Внешнее трение
Структурный анализ и синтез механизмов
Система охлаждения в двигателях внутреннего сгорания
Припої. Загальні властивості
Презентация по физике "Магнетизм" - скачать
Мощность, единицы мощности
Игра «Занимательная физика»
Закон Ома МОУ КОчневская сош Бекетова Т.Г.
Расчет частотных характеристик простейших электрических цепей
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
Електричне поле точкових зарядів. Потік напруженості електричного поля.
Определение технического состояния трансмиссии автомобилей
Теория основных тепловых процессов химической технологии. Тепловой баланс. Промышленные теплоносители. Теплопроводность
Христианская апологетика и естественные науки
Макс Планк Презентация по физике
Практикум із розв’язування задач
Ионосфера. Прохождение. Диапазоны Лекция радиоклуба МИЭТ
Презентация по физике "Дисперсия и ее свойства" - скачать бесплатно
Молекулярная физика и термодинамика
Бордың квантық теориясы. Бор постулаттары. Франк-Герц тәжірибелері. Сутегі атомының. Бор ұсынған моделі
Физика в професії кухаря
Презентация по физике "Излучение и спектры" - скачать
ЕГЭ по физике за 2004 год
Клепка прессованием и ударом
СИЛА ТРЕНИЯ ПОКОЯ Силы в механике
Вы можете прислать нам Вашу презентацию и мы опубликуем ее на сайте.
Обратная связь
Для правообладателей
Email: Нажмите что бы посмотреть