Углеродные нанотрубки: виды и применения в электронике cтудент: Люманов А. С преподаватель: Мазинов А. С
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой которая может рассматриватся как половина молекулы фуллерена графен фуллерен
История Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.
Виды углеродных нанотрубок Однослойные нанотрубки Простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как "обертывание" гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр. Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.
Многослойные нанотрубки Состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0. 34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая "матрешка"). В другом случае, один "лист" графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель "пергамента").
Применение углеродных нанотрубок В последние два года наибольший интерес вызывает использование УНТ в качестве термоустойчивого межфазного материала, а также их применение в прозрачных проводниках. Актуальность попыток внедрения УНТ в электронике объясняется ростом потребности в замене индия в теплоотводах, используемых в центральных процессорах, графических процессорах и в (автомобильных) транзисторах большой мощности, так как цена на этот металл растет, а запасы его уменьшаются. Индий-оловянный оксид используется повсеместно, а индий встречается все реже и, как следствие, дорожает, поэтому ведется активная работа по поиску альтернативных прозрачных проводящих контактных материалов. Пленки из УНТ существенно более прочны к механическим повреждениям чем пленки из индийоловянного оксида, что является дополнительных преимуществом применения УНТ. Основным применением УНТ в электронике является создание полевых транзисторов с нижним затвором на основе отдельных однослойных углеродных нанотрубках (SWNT-FET). Высокая подвижность носителей зарядов в УНТ делает их потенциальными кандидатами для использования в высокочастотных транзисторах.
Создание сенсоров Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на сегодняшний момент могут стать наиболее подходящей основой для электронных сенсоров с точки зрения широты шкалы и могут быть изготовлены на основе различных подходов, включая диэлектрофорез, прямое выращивание методом CVD и передачу через раствор, например, в ведение в полимерное покрытие. Было исследовано сдавливание трехмиллиметрового блока нанотрубки, и было обнаружено, что он очень подходит для потенциального применения в качестве датчика давления. Независимо от того, сколько раз и насколько сильно сдавливали блок, он демонстрировал постоянное линейное соотношение между размером прилагаемой силы и электрическим сопротивлением. Благодаря линейной зависимости между нагрузкой и напряжением, можно получить очень хороший датчик давления Двумя потенциальными применениями являются измерители давления автомобильных покрышек, а также микро электромеханический датчик давления, который можно использовать с оборудованием по производству полупроводников. Способы повышения прочности нанотрубок за счет смешивания их с полимерными композитами.
Антенна на основе УНТ Был разработан новый способ аккумулирования солнечной энергии - в 100 раз более эффективный, чем это возможно с помощью обыкновенных фотогальванических ячеек. Такие нанотрубки могут стать основой для фокусирующих световую энергию, микроскопических антенн. Это, в свою очередь, позволит создать солнечные батареи нового поколения - более энергоэффективные при гораздо меньших размерах, концептуально новые очки ночного видения и оптические компоненты орбитальных телескопов. Панели солнечных батарей генерируют электрическую энергию путем преобразования фотонов в электрический ток. Антенны на основе нанотрубок углерода увеличивают количество захватываемых фотонов, которые могут быть преобразованы в электроэнергию и направлены в проводящие структуры солнечной батареи. Фрагмент антенны с 30 миллионами нанотрубок углерода. Красным показаны зоны высокой энергетической интенсивности.
Углеродные нанотрубки усиливают СВЧ излучение Преимущества таких антенн перед обычными металлическими или диэлектрическими антеннами связаны с относительно низким уровнем омических потерь, вследствие баллистического характера электронной проводимости УНТ. Экспериментальные исследования, выполненные в последние годы, показали, что антенна на основе УНТ, имеющих радиус порядка нанометра, характеризуется существенно более низким уровнем потерь, чем медный цилиндр той же геометрии. Был использован массив нанотрубок, выращенный методом химического осаждения паров (CVD) на кремниевой подложке в присутствии катализатора на основе железа. Кремниевую пластину, покрытую золем на основе железа, вводили в кварцевую трубку и выдерживали в течение 10 ч при температуре 500 о. С в атмосфере водорода, что приводило к образованию наночастиц железа нужного размера (диаметр 27 нм при среднем расстоянии между частицами 10 нм). Синтез УНТ производили на подготовленной таким образом подложке при температуре 670 о. С в потоке ацетилена и аргона при отношении 1: 15. Наблюдения показали, что массив нанотрубок, имеющих диаметр около 20 нм и длину около 20 мкм, характеризуется высокой степенью однородности.
Транзистор на УНТ Хорошо известно, что традиционная кремниевая планарная технология для изготовления электронных микросхем подошла близко к своему теоретическому пределу по миниатюризации отдельных элементов. Дальше - размер в единицы нанометров: транзистор, сравнимый по величине с отдельно взятой молекулой. Прототипы транзисторов на УНТ уже созданы; мало того, что они меньше своих кремниевых «предков» , - они ещё и значительно превосходят их по быстродействию. С помощью УНТ можно создать полевой транзистор, принцип действия которого полностью эквивалентен работе традиционного полевого транзистора, - за исключением того, что каналом переноса носителей заряда является углеродная трубка.
Изготовление транзистора На кремниевую пластину наносят пару электродов - сток и исток, между которыми располагают нанотрубку. Сама пластина является затвором. В обычном состоянии канал закрыт, т. к. имеется потенциальный барьер для дырок. Зона проводимости и валентная зона разделены запрещённой зоной с шириной в несколько э. В (рис. 2 а). Но если на затвор подать напряжение, которое приведёт к возникновению электрического поля там, где находится УНТ, то её зонная диаграмма перестраивается, она становится хорошим проводником (рис. 2 б). Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запирать транзистор.
Преимущество над кремниевым Скорость работы УНТ-транзистора намного превосходит быстродействие кремниевых транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в 1 ТГц, что в сотни раз быстрее, чем скорости современных компьютеров. В настоящее время уже созданы устройства на основе нанотрубок, работающие на частотах до 30 ГГц, что на порядок больше тактовой частоты хорошего современного процессора. Это достигается за счёт высокой подвижности электронов в нанотрубках (в кремнии этот параметр составляет 1400 см 2/В·с, а в нанотрубках - около 100 000 см 2/В·с). Теоретический предел для миниатюризации кремниевых элементов составляет 12 нм. Для УНТ такого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать размеров молекулы. Уже созданы транзисторы размером 18 х1 нм, которые, даже без существенной оптимизации технологии их изготовления, по многим параметрам работают не хуже кремниевых, гораздо больших по размерам. И это не предел миниатюризации. Процесс производства транзисторов на основе УНТ может быть сделан значительно более простым, чем производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии печати транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок, разрабатываемой компанией NEC. В настоящий момент возможна печать транзистора целиком, включая электроды, слои изоляции и каналы из УНТ.
Теоретический предел для миниатюризации кремниевых элементов составляет 12 нм. Для УНТ такого предела нет, размеры элементов на их основе могут достигать размеров молекулы. Уже созданы транзисторы размером 18 х1 нм, которые, даже без существенной оптимизации технологии их изготовления, по многим параметрам работают не хуже кремниевых, гораздо больших по размерам. И это не предел миниатюризации. Процесс производства транзисторов на основе УНТ может быть сделан значительно более простым, чем производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии печати транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок, разрабатываемой компанией NEC. В настоящий момент возможна печать транзистора целиком, включая электроды, слои изоляции и каналы из УНТ. Несомненным преимуществом создаваемой технологии станет резкое снижение количества вредных веществ, поступающих в окружающую среду; например, выбросы углекислого газа, по оценкам, могут быть уменьшены более чем на 90%.
Первый процессор на углеродных нанотрубках Группа исследователей из Стэнфордского университета впервые создала процессор, в котором вместо кремния применяются углеродные нанотрубки. На его основе был собран стенд с периферией и измерительным оборудованием, работающий как демонстрационный компьютер под управлением специально написанной для него многозадачной операционной системы.
По сравнению с современными процессорами и компьютерами, новый "нанотрубочный" компьютер выглядит анахронизмом. Его процессор состоит из 178 транзисторов, в то время, как кристаллы современных процессоров содержать миллиарды транзисторов. Новый процессор может обрабатывать один бит информации, современные же процессоры являются в большинстве 32 - и 64 -разрядными, а работает "нанотрубочный" процессор на частоте в 1 КГц, что приблизительно в миллион раз меньше частоты работы процессоров современных смартфонов. Однако, следует вспомнить, что и электроника на кремниевых транзисторах также проходила именно по такому пути развития, поэтому достижение Стендфордских ученых является важной вехой на пути дальнейшего развития современной электроники, которая в недалеком будущем, без сомнений, уйдет от использования кремния. "Это является первым разом в истории науки и техники, когда людям удалось создать работающий компьютер, основанный на технологии, отличной от традиционной CMOS-технологии" - рассказывает Нэреш Шэнбхэг ученый из университета Иллинойса,
Спасибо за внимание
Скачать презентацию Углеродные нанотрубки виды и применения в электронике cтудент
углеродные нанотрубки.pptx