Углеродные нанотрубки и волокна Углеродные нанотрубки (УНТ). Классификация углеродных нанотрубок по количеству слоев, хиральности и электрическим свойствам. Сверхупругие свойства однослойных УНТ. Применение в конструкционных композитных наносистемах и сканирующей зондовой микроскопии. Эмиссионные приборы на основе УНТ. Углеродная наноэлектроника. Диоды Шоттки, одноэлектронные транзисторы, логические схемы на основе ветвящихся УНТ. Гибридные и эндоэдральные наносистемы на основе УНТ. Легированные УНТ, кремниевые, нитридгаллиевые, борнитридные и карбонитридные тубулярные наноструктуры. .
Нанотрубки
О заполнении нанотрубок и тубулярных наносистем Изучение магнитных и транспортных свойств углеродных одностенных нанотрубок с диаметром 4 Ǻ, полученных пиролизом трипропиламина в каналах кристаллов цеолита, обнаружило сверхпроводящие свойства нанотрубок, включая эффект Мейсснера, при температурах ниже 20 К.
Предел миниатюризации Атомное перо Писать с помощью атомного пера Опубликовано nikst — 21 Октябрь, 2008 - 14: 34 Атомное перо: на что способны современные нанотехнологии До недавнего времени самым знаменитым из проектов в микромире была Тора, целиком написанная на рисовом зернышке, однако теперь команда ученых из университета японского города Осака сумела сделать нечто совсем невероятное: написать буквы «Si» с помощью атомного пера, заменяющего атомы кремния на атомы олова. Иными словами, теперь возможной стала манипуляция микромиром непосредственно на уровне атомов — один за другим. «Нанозаписка» Размеры картинки, получившейся в результате, составляют всего 2 х 2 нанометра, что в 40 000 раз уступает сечению человеческого волоса. И если касаться не просто знаменитых, а действительно рекордных по своей малости проектов, то до настоящего момента самая маленькая в мире картинка имела размеры 0, 07 х 0, 10 миллиметров — безумно гигантский показатель по сравнению с новым достижением. По совести говоря, сегодня японские ученые достигли предела миниатюризации, поскольку само слово «атом» означает «неделимый» . Олег Федоров http: //www. mobiledevice. ru/…i-olovo. aspx
Новый стратегический прогноз оценивает мировой рынок наноматериалов в 10 миллиардов долларов к 2012 году Опубликовано birger — 29 Октябрь, 2008 - 23: 53 Исследования и разработка наноматериалов всех видов в последнее время имеют тенденцию к устойчивому росту благодаря быстро растущему интересу к ним со стороны здравоохранения и электронной промышленности. Предполагается, что оксиды и металлы получат наибольшую долю доходов глобального рынка Наноматериалов в краткосрочной перспективе. Расширяющийся спрос на такие наноматериалы, как одностенные нанотрубки и дендримеры, в настоящее время существенно способствует росту объема рынка. Среди сегментов конечного спроса на рынке наноматериалов по доходам доминируют здравоохранение и электроника. Электроника на сегодня является крупнейшим потребителем наноматериалов, но здравоохраниение является наиболее перспективным и многообещающим. Помимо них прогнозируется быстрый рост рыночной доли конструкционных наноматериалов. Коммерческое использование наноматериалов пока будет ограничено несколькими применениями, такими, как солнцезащитные кремы и лосьоны, полирование полупроводниковых подложек, обработка текстиля Наиболее крупным региональным рынком наноматериалов на сегодняшний день являются США, где объем доходов в 2008 году прогнозируется на уровне порядка 1, 12 миллиарда долларов США, по оценке аналитикоа компании Global Industry Analysts, Inc. Второй в мире по величине региональный рынок охватывает Западную Европу и составляет примерно 30% мирового рынка наноматериалов. Предположительно самым быстрорастущим рынком является Азиатско. Тихоокеанский регион, где доходы по оценкам стабильно растут и будут расти в период с 2002 по 2015 годы в годовом темпе 38, 7%. Доля доходов в сегменте оксидов на мировом рынке наноматериалов должна достичь 6 миллиардов долларов к 2013 году. Доходы от нанометаллов по прогнозу должны приблизиться к к 3 миллиардам долларов к 2015 году. Другим «миллиардным» сегментом мирового рынка наноматериалов являются углеродные нанотрубки, рост которого прогнозируется в десятках процентов ежегодно по 2015 год
Bell Labs На фото - William Shockley, John Bardeen и Walter Brattain, создавшие транзистор в 1947 ФИНАНСИРОВАНИЕ И РЫНОК Sic transit gloria mundi В конце августа Bell Labs официально заявила о прекращении исследований в области фундаментальной физики, полупроводников и интегральных схем. Bell Labs была основана в 1925 г. и в скором времени стала Меккой для исследователей в области физики, математики и компьютерных технологий. Ее разрушение началось в 1995 г. , когда для развития производства Bell была присоединена в качестве исследовательского подразделения к Lucent Technologies, которая, в свою очередь, в 2006 г. трансформировалась в объединенную компанию Alcatel-Lucent. Оставив на длинной дороге фундаментальных физических исследований шесть Нобелевских премий, изобретение транзистора и лазера, неисчислимые вклады в компьютерную науку и технологию, Bell Labs остановилась. Alcatel-Lucent, родительская компания Bell Labs, отходит от фундаментальной науки, физики и полупроводниковых исследований, сфокусировавшись на более востребованных рынком областях, таких как сетевые технологии, быстродействующая электроника, беспроводная связь, нанотехнологии и компьютерные программы.
Нобелевский путь Bell Labs: 1. 1937 г. - демонстрация волновой природы материи - исследователь Clinton Davisson; 2. 1956 г. – создание транзистора – исследователи William Shockley, John Bardeen и Walter Brattain (именно он из Bell); 3. 1977 г. - разработка и углубление понимания электронной структуры стекла и магнитных материалов - исследователь Philip Anderson; 4. 1978 г. - открытие космического фонового микроволнового излучения – исследователи Arno Penzias and Robert Wilson; 5. 1997 г. - разработка метода лазерного охлаждения атомов – исследователь Steven Chu; 6. 1998 г. - открытие и объяснение дробного квантового эффекта Холла – исследователи Horst Stormer, Robert Laughlin и Daniel Tsui. Другие важнейшие изобретения и достижения ученых Bell Labs: - полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (1960 г. , исследователи Dawon Kahng и Martin Atalla); - СО 2 лазер (1964 г. , исследователь - Kumar Patel); - ПЗС (приборы с зарядовой связью) – (1969 г. , исследователи Willard Boyle и George E. Smith); - квантовый каскадный лазер (1994 г. , исследователи Federico Capasso, Alfred Cho и их сотрудники); ; - цифровой сотовый телефон (1980 г. ); - первый трансатлантический телефонный кабель (1956 г. ).
Получение фуллеренсодержащей сажи. Нанотрубки Первые нанотрубки были открыты в лабораториях компании NEC японским исследователем Симио Иджима (Simio Iijama) в 1991 году при изучении осадка, образующегося на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина составляет от одного до нескольких микрометров. Исследовательская группа Иджима обнаружила, что волокна состоят из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита. Во всех случаях расстояние между слоями составляло 0, 34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите, а верхние концы трубочек закрыты многослойными полусферическими крышечками — их каждый слой составлен из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. Открытие в 1991 году углеродных нанотрубок (УНТ) привело фактически к появлению новых отраслей физики твердого тела. В отличие от фуллерена, представляющего собой молекулярную форму углерода, углеродные нанотрубки сочетают в себе свойства молекул и твердого тела и могут рассмотриваться как промежуточное состояние
Метод Hip. Co (The high pressure Co)
Получение нанотрубок методом химического осаждения из пара Схема установки для получения нанотрубок методом химического осаждения из пара. В кварцевую ампулу, помещенную в печь и нагретую до 700 1000ºС, подаются метан, этилен или ацетилен. Нанотрубки растут в присутствии переходных металлов. Рост углеродной нанотрубки в газовой фазе при высоком давлении в присутствии катализатора
. Метод лазерной абляции Схема установки для получения нанотрубок методом лазерной абляции. Источник лазерного излучения, печь нагретая до 1200ºС, графитовая мишень, охлажденный коллектор на поверхности которого растут нанотрубки. Добавляя в мишень разные катализаторы, применяя одновременно несколько лазеров с разной длиной волны излучения, можно добиться получения разных видов нанотрубок. До недавних пор считалось, что атмосфера гелия является необходимым условием образования одностенных нанотрубок в процессе лазерной абляции. Это приводило к усложнению и удорожанию экспериментов. Однако теперь метод усовершенствовали, применяют разряд не только в гелиевой, но и в водородной атмосфере, и в атмосфере азота.
Механизмы роста УНТ
Функционализация углеродных нанотрубок
Управляемый рост упорядоченных рядов углеродных нанотрубок Схема получения колонн из вертикально упорядоченных блоков многостенных нанотрубок (слева) и результаты роста (справа) Синтез осуществляется с использованием процесса химического осаждения из пара с катализатором в газовой фазе. В качестве катализатора используется смесь ксилола и ферроцена (C 8 H 10/Fe(C 5 H 5)2). Предварительно на подложке литографически задается рисунок, который определяет места начала роста нанотрубок и управляет направлением их роста – вертикально или горизонтально подложке. Картина роста определяется также тем, что нанотрубки растут только на оксиде кремния, Ортогонально ориентированные нанотрубки: вертикальные в центре и горизонтальные по краям (шкала 50 мкм)
http: //www. democraticundergroun d. com/discuss/duboard. php? az=vi ew_all&address=132 x 7853605 Ученые из Университета Мичигана оригинальным способом решили Проект Нанобама привлечь внимание нового главы Белого дома к науке, сообщает сайт Cyber. Security. ru, и создали новый проект под названием «Нанобама» . Инженеры создали портрет Барака Обамы микроскопических размеров при помощи метода нанолитографии и углеродных нанотрубок. Портрет изготовлен из 150 миллионов тончайших углеродных нанотрубок. Число 150 миллионов выбрано неслучайно в США именно столько человек, имеющих право голосовать. Площадь портрета составляет 0, 4 миллиметра квадратного. Несмотря на свои размеры, потрет необычайно прочен, поскольку нанотрубки, из которых он сделан, представляют собой сверхпрочные химические элементы. В самом Университете Мичигана сказали, что технологию разработали не так давно и ждали подходящего случая, чтобы представить ее. Кроме портрета Обамы, ученые создали специальный сайт, с девизом «Голосуй за науку» , аналогичным слогану предвыборной компании Обамы «Голосуй за перемены» Этот результат получил John Hart с коллегами из Университета Мичигана. Каждый “президентский лик” состоит из примерно 150 миллионов нанотрубок, выращенных на кремниевой подложке с использованием катализатора (железо).
ГФХО -реактор
Нити из нанотрубок . Фотография двух нитей из нанотрубок длиной 10 и 20 см и толщиной 0, 3 и 0, 5 мм в сравнении с человеческим волосом. Вставка, на которой показана вытянутая нить и нить с узлом, демонстрирует высокую гибкость нитей Нити получаются прямым синтезом с помощью каталитического метода осаждения из пара в вертикальной печи пиролизом н-гексана. Раствор н-гексана с добавками ферроцена (0, 018 г/мл) и тиофена (0, 4 вес. %) со скоростью 0, 5 мл/мин подается в реактор, нагретый до температуры пиролиза н-гексана 1423 К. В качестве газа-носителя при этом используется водород, подаваемый со скоростью 250 мл/мин. При этом одностенные углеродные нанотрубки образуются непрерывно с выходом 0, 5 г/час и самопроизвольно собираются в нити. Добавление тиофена необходимо для формирования одностенных нанотрубок, в противном случае идет синтез многостенных нанотрубок. В отсутствие водорода выход продукта резко падает. Использование других углеводородов оказалось менее эффективно.
Справка Ферроцен, дициклопентадиенилжелезо, (C₂H₅)₂Fe, оранжевые кристаллы, хорошо растворимые в органич. растворителях, tпл 173 – 174 °С. Ф. – первый синтезированный в 1951 представитель большой группы металлоорганических соединений – металлоценов Химическая формула: н-гексана CH 3(CH 2)4 CH 3 n-hexane Тиофе н — ароматический пятичленный гетероцикл, содержащий один атом серы в цикле, молекулярная масса 84, 14 г/моль; бесцветная жидкость с запахом бензола; Температура плавления − 38, 2 °C, температура кипения 84, 2 °C; Интерес к УНТ- нитям обусловлен потенциальными возможностями создания на их основе прочных высокопроводящих микрокабелей спецназначения.
Электронно-микроскопическое изображение нитей при низком и высоком разрешении Нити образованы параллельными жгутами из нанотрубок. Спектральные измерения нитей свидетельствуют о том, что нити включают как металлические, так и полупроводниковые нанотрубки преимущественно с диаметрами 1, 1 – 1, 7 нм. Из за дефектов структуры модуль Юнга у нитей на порядок меньше, чем у индивидуальных одностенных нанотрубок.
Строение углеродной нанотрубки Углеродные нанотрубки – цилиндрические полые углеродные кластеры. Одностенные и многостенные Минимальный диаметр – 0. 7 нм Характерное отношение длины к диаметру цилиндра 1000: 1 Идеальная нанотрубка — это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Все атомы углерода в нанотрубках имеют тройную координацию, а значит, нанотрубки — сопряженные ароматические системы, в которых три из четырех валентных электронов каждого углерода образуют локализованные связи, а четвертый участвует в образовании делокализованной системы (как, например, в бензоле). Эти электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому именно они могут участвовать в переносе заряда в системе.
Хиральность нанотрубок Индексы хиральности однослойной нанотрубки, заданная индексами (m, n) однозначным образом определяют ее диаметр D: D = (m 2 + nm)1/2 √ 3 d 0/π где d 0 = 0, 142 нм — расстояние между соседними ато мами углерода в графитовой плоскости. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности. Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать ее диаметр
Из хроники недавних событий. Ведущие специалисты химической отрасли вместе с РОСНАНО обозначили перспективы углеродного волокна в России Опубликовано Svidinenko — 16 Октябрь, 2008 - 17: 40 15 октября состоялся круглый стол по теме «Перспективы производства углеродного волокна в России: современные технологии, поиск оптимальных решений» В международном информационно-выставочном центре «Инфо. Пространство» состоялся круглый стол по теме «Перспективы производства углеродного волокна в России: современные технологии, поиск оптимальных решений» , организованный по инициативе Российской корпорации нанотехнологий. Производство углеродных волокон – сложный, многоступенчатый процесс. Дальнейшее его развитие связано, в том числе, с активным применением нанотехнологий. В круглом столе приняли участие более 40 представителей предприятий и организаций химической отрасли, специализирующихся на углеволоконной тематике. В их числе: Владимир Мордкович, заместитель генерального директора по науке Объединенного Центра исследований и разработок, выступивший с докладом о перспективной технологии получения углеродных нановолокон из газовой фазы; Евгений Маянов, заместитель генерального директора ОАО «НПК Химпроминжиниринг» , рассказавший о технологическом комплексе производства углеродных волокон для атомной отрасли; и другие. Как отметили докладчики, композитные материалы из углеродных волокон сегодня широко применяются в ракетно-космической отрасли, авиационной промышленности, автомобилестроении, в продукции массового потребления. Спрос на углеродное волокно на мировом рынке значительно вырос за последние годы и эта тенденция, полагают эксперты, сохранится и в дальнейшем.
Хиральный угол Хиральность нанотрубки
Примеры нанотрубок Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 30° (armchair конфигурация) и α = 0° (zigzag конфигурация). Эти конфигурации отвечают хиральностям (n, n) и (m, 0) , соответственно. . . Хиральность архитипичных УНТ (5, 5) и (9, 0) (10, 5)
Построение структурной модели нанотрубки: а) графитовый слой и лента (11, 7); б) нанотрубка (11, 7). Кроме индексов (n, m), геометрию нанотрубки можно охарактеризовать длиной окружности цилиндра С и углом хиральности Ф. Если вектор С совпадает с вертикальной или наклонной «разреженной» линией шестиугольников, получаются нехиральные трубки (n, 0) и (n, n).
Углеродные нанотрубки и нановолокна
Измерение электрических свойств нанотрубок Нанотрубка в контакте с четырьмя электродами для измерения электрических свойств четырехзондовым методом (изображение получено методом электронной микроскопии) Сопротивление трубок измеряли в диапазоне температур 4 300 К. При комнатной температуре разброс сопротивлений различных трубок составлял от сотен Ом до сотен МОм. Судя по температурной зависимости сопротивления, нанотрубки распадаются на две группы. У одних сопротивление незначительно и почти линейно возрастает с понижением температуры; их можно рассматривать как вещества с нулевой шириной запрещенной зоны (полуметаллы) или как металлы. У другой группы трубок наблюдалась почти линейная зависимость логарифма сопротивления от обратной температуры, что специфично для полупроводников. Характерные энергии активации, определяемые по наклону прямых в указанной системе координат, составляли 0, 1— 0, 3 э. В.
ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР НАНОТРУБОК Плотность состояний в зависимости от энергии для нанотрубок хиральностью (10, 10) (а) и (15, 0) (б)
Метод ЛКАО
ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА и ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР НАНОТРУБОК Электронная структура УНТ: а) все трубки (n, n) металлические; (б) трубки (n, 0) металлические, если n кратно трем, (в) полупроводниковые УНТ (n, 0), n не кратно 3. Уровень Ферми EF разделяет занятые и вакантные состояния
Элементарные ячейки УНТ Число атомов в ячейке 2 N: Где d – наибольшее общее кратное m и n, r=1, 2 …
. Супертонкие нанотрубки Изображение многослойной нанотрубки, в центре которой расположена рекордно тонкая нанотрубка диаметром 3 Å, полученное с помощью трансмиссионной электронной микроскопии высокого разрешения. Пары линий и стрелки показывают диаметр тонкой трубки и расстояние между слоями 3, 4 Å. Концы тонкой нанотрубки обозначены горизонтальными стрелками А и А’ Уменьшение диаметра нанотрубки сопровождается возрастанием энергии стерических напряжений, что должно препятствовать образованию изолированных нанотрубок малого диаметра . Однако имеется определенный интерес к получению тонких нанотрубок: они могут проявить неожиданные физические свойства вследствие сильной гибридизации σ- и π -состояний. Согласно теоретическим оценкам, изолированные нанотрубки с диаметром менее 4 Å должны быть неустойчивы. Неудивительно, что самые тонкие нанотрубки получают внутри многослойных нанотрубок или в кристаллической матрице.
Кольца из нанотрубок Схема образования колец реакцией с дициклогексилкорбодиимидом. На первом этапе, при воздействии ультразвука на смесь из нанотрубок (использовали обычный коммерческий продукт) и концентрированных азотной и серной кислот, удалось разрезать нанотрубки на довольно короткие фрагменты. При этом нанотрубки разрезаются по областям структурных дефектов и в результате образуются короткие нанотрубки с открытыми концами. На втором этапе разрезанные из нанотрубки подвергали мягкому травлению смесью серной кислоты и перекиси водорода с целью образования кислородсодержащих групп на концах нанотрубок . Эти продукты окисления (в отличие от исходных нанотрубок) хорошо растворяются в полярных растворителях - воде и диметилформамиде. Окончательно замыкание колец осуществляется реакцией продукта травления с дициклогексилкорбодиимидом.
Зависимость ширины запрещенной зоны Количественные соотношения, устанавливающие связь между индексами хиральности идеальной однослойной нанотрубки, ее радиусом и шириной запрещенной зоны, могут быть получены лишь на основании модельных расчетов с использованием сильных упрощающих предположений. Поэтому результаты расчетов, выполненных разными авторами, в деталях несколько отличаются друг от друга, однако характеризуются общими качественными тенденциями. Эти тенденции иллюстрируются на рисунке, где представлены вычисленные для различных k зависимости ширины запрещенной зоны Eg длиной однослойной нанотрубки от радиуса нанотрубки R 0 2 4 6 8 10 R/d 0 (ширина запрещенной зоны E выражена в g единицах энергии взаимодействия двух р‑электронов, принадлежащих соседним атомам углерода в графитовой решетке, Зависимость ширины которое приводит к образованию π‑связи). запрещенной зоны от Сплошной линией на рисунке показана приведенного радиуса зависимость Eg = l/Rd, установленная на нанотрубки для трубок с разной основании упрощенного подхода без учета хиральностью (k=m-n ). зависимости энергии взаимодействия р‑электронов от радиуса нанотрубки.
Проводимость индивидуальных металлических УНТ и материала Измерения проводимости индивидуальной нанотрубки, выполненные с помощью атомно‑силового микроскопа, показали, что проводимость прямолинейного участка однослойной нанотрубки, не испытывающей внешней нагрузки, составляет при комнатной температуре около 100 мк. См, что соответствует сопротивлению 10 к. Ом. По порядку величины это значение сопоставимо с величиной единичного кванта проводимости G 0 = 2 e 2/h (77, 5 мк. См), который соответствует баллистическому механизму переноса заряда. Открытие квантовой проводимости было впервые сделано у углеродных нанотрубок, когда измеряли зависимость их сопротивления от длины, погружая электрод с выходящими из него УНТ в ртуть Диаметр нанотрубок составлял от 1, 4 до 50 нм, а длина – от 1 до 5 мкм. Но, несмотря на такой большой разброс в размерах, сопротивление нанотрубок составляло около 12, 9 к. Ом. . Проводимость индивидуальных УНТ определяется в первую очередь их геометрической структурой и наличием дефектов, проводимость материала, составленного из УНТ, в значительной степени зависит от степени контакта между соседними трубками, а также от наличия и состава примесей. Тем самым как абсолютные значения, так и характер температурной зависимости проводимости подобных материалов определяются не только методом, используемым при получении нанотрубок, но и степенью их очистки.
Сравнение проводимости однослойных нанотрубок Полученное значение проводимости однослойной нанотрубки указывает на баллистический механизм переноса заряда, согласно которому электроны даже при комнатной температуре преодолевают длину нанотрубки более 1 мкм без рассеяния. Если проводимость обычного провода обратно пропорциональна его длине и прямо пропорциональна поперечному сечению, а в случае нанотрубки она не зависит ни от ее длины, ни от ее толщины и идеальном случае равна кванту проводимости. При обычной температуре наблюдаемое значение плотности тока (107 А • см– 2) на два порядка превосходит достигнутую сейчас плотность тока в сверхпроводниках Значительно более высокое сопротивление (около 60 МОм) имеет однослойная нанотрубка с полупроводящими свойствами. При этом результаты измерений существенно зависят от точки приложения наконечника. Как следует из анализа результатов измерений, сопротивление полупроводниковых однослойных нанотрубок определяется наличием барьеров, расположеных примерно каждые 100 нм вдоль длины нанотрубки, и связанных, по‑видимому, с наличием дефектов. Для практических применений важна величина сопротивления контакта между нанотрубкой и токоподводами, которая весьма критическим образом зависит от материала токоподводов. Измерения вольт‑амперных характеристик жгутов УНТ в контакте с Аи, Au. Pd, Al и Со производились при Т = 4 К и при 295 К. Согласно результатам измерений, сопротивление контактов однослойных УНТ с Аи и Au. Pd составляет 10 к. Ом, контакт с А 1 практически не проводит ток, а контакт с Со имеет сопротивление порядка 100 к. Ом. Описанные результаты свидетельствуют о важной роли адгезии материалов нанотрубок и токоподводов в формировании контактного сопротивления.
Многослойные нанотрубки Модель спиральной нанотрубки
Эндроэдральные нанотрубки Структурная модель и изображение нанотрубки Gd@C 60@SWNT, полученное с помощью электронной микроскопии Формула структуры записывается как Gd@C 60@SWNT, что означает Gd внутри C 60 внутри однослойной нанотрубки (SWNT - single wall nanotube). Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру.
Полевой транзистор Фирмой IBM в 1998 году был создан полевой транзистор на основе полупроводниковой или металлической нанотрубки, работающий при комнатной (в первом случае) и сверхнизкой (во втором) температуре. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой. В транзисторе на полупроводниковой нанотрубке электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. В полупроводниковой нанотрубке при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле и изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. На экспериментальной зависимости проводимости транзистора от напряжения видно, что при потенциале затвора около ‑ 6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление – минимального
Полевой транзистор на металлической нанотрубке (IBM, 1998 г. ) Высокая металлическая проводимость в электрической цепи возможна в случае, если так же легко осуществляется перенос электронов между нанотрубкой и электродами. В эксперименте это достигается возможно более точной подгонкой уровней Ферми электродов к энергии проводящего уровня нанотрубки. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает. Практическое использование активных элементов ИС, работающих при температурах ниже 1 К весьма проблематично. При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используются эффекты туннельного переноса электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Из‑за конечной длины нанотрубки ее электронный спектр, строго говоря, не непрерывен, а дискретен, с расстоянием между отдельными уровнями ~1 мэ. В при длине нанотрубки ~1 мкм. Такой характер расщепления уровней не сказывается на электропроводности нанотрубки при комнатной температуре (0. 025 э. В), но полностью определяет ее электрические свойства при температуре ниже 1 К. Проводимость металлической нанотрубки в таких условиях обусловлена тем, что электроны туннелируют с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки на нижний незаполненный уровень анода. В пределах нанотрубки туннелирование электрона происходит практически без рассеяния и без потерь энергии за счет p‑электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки
Варианты приборных реализаций Разработана структура, воспроизводящая p -n-p биполярный транзистор на УНТ; структура формируется путем ионного легирования не закрытой фоторезистом части УНТ. Ввиду использования стандартных методов литографии выигрыш в размерах активного элемента не очевиден, однако возможен выигрыш в быстродействии за счет изменения механизмов транспорта носителей. Биполярный транзистор на УНТ, созданный методом ионного легирования Как показано выше, сопротивление металлических нанотрубок имеет величину около 10 к. Ом. При воздействии на нанотрубку острием АСМ получено, что в результате изгиба нанотрубки на угол около 105° ее сопротивление увеличивается примерно в 100 раз, достигая значения около 1 МОм. Следовательно, изгиб нанотрубки, коренным образом изменяя ее проводимость, может служить основой выпрямляющего элемента
Синтез УНТ Существует широкое многообразие условий, в которых наблюдается эффективное образование УНТ. В настоящее время наиболее распространен метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под большим давлением. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Максимальное количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см 2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15‑ 25 В, ток разряда — несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов — 1‑ 2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде. Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1: 4 при температуре 750 OС в течение пяти минут. В результате такой обработки получается достаточно легкий пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Наряду с дуговым разрядом для получения нанотрубок использовались процессы термического распыления поверхности графита в атмосфере инертного газа под действием лазерного облучения. Еще один эффективный подход к синтезу УНТ основан на химических процессах, происходящих при высокотемпературном взаимодействии углеводородов с металлическими катализаторами. К таковым относятся процессы термокаталитического распада углеводородов, химического осаждения паров из плазмы, содержащей углеводороды, и т. п. Среди других способов получения УНТ можно упомянуть электролитический метод, основанный на пропускании электрического тока через графитовые электроды, помещенные в жидкий электролит; метод, основанный на химическом превращении твердого полимера в материал, содержащий УНТ; твердотельный пиролиз тугоплавких соединений углерода; прямое каталитическое превращение композитных порошков.
Теоретические расчеты показали, что если в идеальной однослойной нанотрубке с хиральностью (8, 0) создать дефект в виде пары пятиугольник‑семиугольник, то хиральность трубки в области существования дефекта становится (7, 1). Нанотрубка с хиральностью (8, 0) является полупроводником с шириной запрещенной зоны 1, 2 э. В, тогда как нанотрубка с хиральностью (7, 1) является полуметаллом, для которого ширина запрещенной зоны равна нулю. Таким образом, нанотрубка с внедренным дефектом может рассматриваться как молекулярный гетеропереход металл‑полупроводник и служить основой полупроводникового элемента рекордно малых размеров Переход полупроводник – металл – полупроводник на основе дефекта в нанотрубке с хиральностью (8, 0).
Контакты между УНТ Весьма активно ведется поиск путей соединения нанотрубок друг с другом с целью конструирования УНТ структур для различных наноустройств. Речь здесь идет не только об увеличении длины одной отдельно взятой УНТ за счет последовательного соединения нескольких УНТ, но и о создании достаточно сложных разветвленных сеток, в которых присутствуют T‑образные или Y‑образные контакты между УНТ. Ученые из National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Цукуба, Япония) в 2008 году предложили новый способ соединения Схематическое изображение трех типов УНТ путем пропускания через них электрического контактов между УНТ: (a) контакт "шапка-ктока. При этом УНТ располагались между двумя шапке" между УНТ одинакового диаметра, (b) электродами (иглой из W и проводом из Pd), на контакт "шапка-к-шапке" между УНТ разного которые подавалось напряжение. Смещение УНТ диаметра, (c) контакт "шапка-кпо всем трем пространственным направлениям стенке". Стрелка показывает направление контролировали пьезодатчиком с точностью выше электрического тока. 0. 5 нм, а непрерывное наблюдение за процессом Детали процесса слияния остаются формирования контактов проводили с помощью невыясненными. Это связано с тем что оно просвечивающего электронного микроскопа. происходит за время < 0. 5 с, недостаточное для . Самым простым оказалось изготовить контакты получения изображения. Тем не менее, наличие "шапка-к-шапке" между одностенными УНТ воспроизводимых пороговых величин U и I одинакового диаметра. Две УНТ сливались в одну указывает на его активационный характер. при увеличении U и I до 1. 6 В и ≈ 6 мк. А, Действительно, пятиугольники из связей C C, имеющиеся на шапках УНТ, при слиянии должны соответственно, что отвечает плотности тока J ≈ 7 108 А/см 2 преобразовываться в шестиугольники за счет цепочки последовательных трансформаций Стоуна‑Вэлза
Соединение "шапка‑к‑шапке" двух однослойных УНТ Соединение "шапка ‑к‑ шапке" двух однослойных УНТ одинакового диаметра. Изображены исходная и конечная конфигурации. Стрелки указывают расположение локальных дефектов (выступов), образовавшихся в процессе формирования контакта. Длина масштабной линейки 5 нм
Нанотрубки F-(n, n) Присоединение атомов F с внешней стороны нанотрубки более выгодно, чем с внутренней. При этом атомы фтора должны присоединяться сначала к открытым концам нанотрубок, а затем выстраиваться вдоль образующей. При добавлении фтора на внешнюю поверхность трубки меняется сетка π-связей, а значит — электрические и другие физические свойства. Как следует из расчетов, все нанотрубки F(n, n) ‑ полуметаллы, у которых на краю зоны Бриллюэна щель отсутствует. Так как все нанотрубки (n, n) металлические, наполовину фторированные по длине нанотрубки будут представлять собой молекулярные гетеропереходы металл-полуметалл, независимо от их диаметра.
Согласно расчетам, щель запрещенной зоны у нанотрубок типа F‑(n, 0) Модифицированные F исчезает, если (n+1) кратно трем. В нанотрубки (n, 0) остальных случаях модифицированные трубки полупроводниковые. Так как в исходных, чисто углеродных нанотрубках (n, 0), запрещенная зона отсутствует, если n кратно трем, то наполовину модифицированные нанотрубки (n, 0) будут, в зависимости от диаметра, образовывать гетеропереходы различных типов. Если (n– 1) кратно трем (n = 3 l + 1, l = 1, 2, …), это будет гетеропереход полупроводник, причем ширина запрещенной щели в модифицированной части трубки примерно в два раза меньше, чем в исходной. При других значениях n Путем химической модификации образуется гетеропереход различных участков одной металл‑полупроводник, но при n, нанотрубки будут создаваться кратном трем, металлическому концу сложные многофункциональные соответствует немодифицированная часть электронные устройства, нанотрубки, а при n = 3 l + 2 – подобные интегральным модифицированная. схемам современных компьютеров
Одноэлектронный транзистор на одиночной изогнутой углеродной нанотрубке Изображение этапов получения и осцилляций проводимости одноэлектронного транзистора на УНТ. В 2001 году в журнале Science (Henk W. , 2001) опубликована работа, в которой реализован одноэлектронный транзистор на одиночной изогнутой углеродной нанотрубке, работающий при температуре 260 К. На рисунке показаны этапы его создания и зависимость проводимости от напряжения на затворе. Однослойная нанотрубка первоначально располагается между двумя золотыми длектродами. Затем путем воздействия острием АСМ в двух разных направлениях ((а) и (в)) на нанотрубке создаются 2 изгиба, разделенные промежутком длиной 20 нм (d). При этом изогнутые участки играют роль изолирующих барьеров, отделяющих проводящий участок нанотрубки.
Трансмиссионная электронная микроскопия + сканирующая зондовая микроскопия 23 Октябрь, 2008 Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) – это мощный инструментальный подход для структурного анализа материалов, однако in situ (без перемещения образца) наноразмерное изучение механических, электрических, термических свойств материала требует новых аппаратурных решений. Скнирующая зондовая микроскопия (СЗМ), включая скнирующую туннельную микроскопию (СТМ), атомную силовую микроскопию (АСМ), использование нано-инденторов для определения твердости материала – в состоянии охарактеризовать физические и механические свойства материала вплоть до атомных характеристик, но без воспроизведения особенностей структуры. Сочетание платформ ТЭМ-СЗМ, с полным использованием всех возможностей обоих методов привносит уникальные возможности в полном наноразмерном in situ изучении свойств материала с одновременным учетом корреляций изучаемых эффектов. Джианью Хьянг (Jianyu Huang) из Sandia National Laboratories, например, успешно использовал такую технологию для параллельного изучения электрических и механических свойств углеродных нанотрубок. Он закрепил многостенную углеродную нанотрубку (МУНТ) между позиционирующей образец платформой и наконечником зонда сканирующего микроскопа, а затем регистрировал электрические и силовые показатели образца в условиях пропускания электрического тока вдоль МУНТ и разогрева образца до определенной температуры. Также были изучены особенности протекания процесса разрушения МУНТ изнутри – слой за слоем, проведенные с помощью ТЭМ. Одновременно с этими показателями каждые несколько секунд выполнялся снимок образца с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа. Н а рисунке изображены МУНТ (слева) и ОУНТ (справа) В своей работе, представленной на Пятьдесят Пятом Международном Симпозиуме, посвященном перспективным методам изображения (AVS 55 th International Symposium & Exhibition), Хьянг описал методологию анализа изображений одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), растущих во внутреннем пространстве МУНТ, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Наложение множества полученных кадров, воспроизведенное в виде короткого видео-ролика, помогло ученым ответить на давно интересующий вопрос, касающийся образования нанотрубок: почему свободный конец растущих нанотрубок является закрытым (Sumio Iijima, пионер в изучении нанотрубок в Японии недавно сделал такое же наблюдение). Без понимания механизмов роста этих интереснейших углеродных наноструктур невозможно приступить к созданию нанотрубок с заданными свойствами, такими как структура или хиральность, важными в конструировании устройств на основе нанотрубок, таких как, например, полевые транзисторы
Нанокомпозитные оптические сенсоры Одностеннные углеродные нанотрубки (ОСУН) в последние годы широко используются в высокопоглощающих нанопокрытиях на оптических детекторах, применяемых в химических целях и работающих в воздушной или водяной среде. Новые покрытия, разработанные итальянскими физиками, которые составлены из углеродных нанотрубок, внедренных в матрицы арахидата кадмия (Cd. A), существенно улучшают надежность и производительность волоконно-оптических химических датчиков
Заточка нанотрубок для зондов АСМ Для использования многослойных нанотрубок в качестве зондов необходимы нанотрубки с острым заточенным концом. Для изготовления таких нанотрубок можно использовать последовательное испарение внешних слоев вблизи конца нанотрубки с помощью электрического тока. В результате получается жесткая многослойная нанотрубка, радиус кривизны окончания которой почти такой же малый, как у одностенной нанотрубки. Исходная многослойная нанотрубка (вверху) и та же трубка после заточки (внизу). Изображения получены с помощью трансмиссионного электронного микроскопа высокого разрешения Для заточки к левому концу нанотрубки подсоединяли золотой электрод. Справа к нанотрубке с помощью манипулятора подводили второй электрод ( «электрод заточки» ), в качестве которого можно использовать другую, но более толстую нанотрубку, или обычную проводящую подложку. Процесс послойного испарения наблюдается по достижении пороговых значений напряжения 2, 4 В и тока 170 м. А.
Многостенная нанотрубка подложке (Si/Si. O 2) в контакте с ферромагнитными электродами Изучено инжектирование спинполяризованных электронов из ферромагнитных электродов в многостенные нанотрубки диаметром 10 -40 нм с сопротивлением при комнатной температуре 10 -150 к. Ом. В качестве электродов использовали пленки поликристаллического Со. Длина проводящего канала, т. е. расстояние между электродами равнялось около 250 нм. Многостенная нанотрубка подложке (Si/Si. O 2) в контакте с ферромагнитными электродами УНТ для спинтроники
Свойства Y- и Т-образных соединений нанотрубок Свойства Y-образного соединения нанотрубок ( «вилки» , рис. 5. 2) были первоначально предсказаны, а затем изучены. Если к одному зубцу нановилки подать управляющее напряжение, изменится высота барьера между двумя другими зубьями. Экспериментальные измерения электропроводности обнаружили ожидаемую асимметрию вольтамперной характеристики. В РФ такие структуры широко исследуются в МГИЭТ. Согласно расчетам Т-образное соединение нанотрубок должно быть устойчиво при комнатной температуре и обладать свойствами гетероперехода металл – полупроводник – металл. Эффект выпрямления наблюдается и при межмолекулярном переносе заряда в контакте между пересекающимися нанотрубками
Инвертор на нанотрубке Инвертор напряжения, включающий один полевой транзистор p- и один полевой транзистор n-типа, был первой реализацией электронного устройства на одной нанотрубке. В инверторе напряжения при подаче на вход положительного или отрицательного потенциала Vin на выходе должен сниматься потенциал Vout противоположного знака. Таким образом, если принять, например, положительное значение потенциала за логическую единицу, а отрицательное за логический ноль, инвертор напряжения будет реализацией логического затвора НЕ. Вся логическая функция инвертора закодирована по длине одной углеродной нанотрубки Для построения инвертора напряжения была взята полупроводниковая нанотрубка диаметром 1, 4 нм и шириной запрещенной зоны 0, 6 э. В Инвертор напряжения состоит из двух типов транзисторов с различными электронными свойствами – с электронной проводимостью и дырочной проводимостью. Транзисторы на углеродных нанотрубках обычно обладают дырочным типом проводимости, но при внедрении атомов калия, например под действием его паров, характер проводимости нанотрубки можно сменить на электронный. Если добавлять калий только на одну половину исходной нанотрубки p-типа, предварительно закрыв вторую половину нанотрубки полимерной пленкой РММА, то неизмененная половина нанотрубки, попрежнему, будет обладать проводимостью p-, а легированная - проводимостью n-типа.
Принцип действия В инверторе потенциал Vin подается на внешний затвор, а потенциал Vout снимается со среднего электрода. Левый и правый электроды используется для подачи напряжения смещения V. Положительные значения Vg благоприятствуют прохождению тока через нанотрубку n-типа (благодаря росту в ней концентрации свободных электронов) и подавляют ток в нанотрубке p-типа (вследствие уменьшения в ней концентрации свободных дырок). Действие отрицательного напряжения Vg в точности противоположно. Для инвертора полученная зависимость Vout от Vin (вместе с принципиальной схемой такого прибора) приведена на рис. 6. 2. При напряжении смещения до ± 1 В, напряжение на выходе по модулю больше, чем на входе, т. е. коэффициент усиления для полученного инвертора больше единицы – важное условие для возможности создания более сложных логических схем.
Технология создания инвертора Первоначально оба транзистора обладают дырочной проводимостью. После отжига в вакууме обоих транзисторах основным типом носителей становятся электроны (а). Один транзистор покрывают защитной пленкой (РММА), и под действием кислорода (10 -3 Торр, 3 мин) незащищенный транзистор снова становится дырочным (b). Схема соединения транзисторов (c) и вольтамперная характеристика инвертера (d). Такой подход позволяет создавать транзисторы с разным типом проводимости и на различных нанотрубках, затем связывать их в единый электронный прибор
NRAM (Nonvolatile Random Access Memory Одно из самых перспективных разрабатываемых применений нанотрубок — это создание гибридной энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory). Первой данный тип памяти реализовала компания Nantero. В предложенной компанией схеме на кремниевую подложку наносится тонкая изолирующая пленка оксида кремния, вдоль которой размещены токопроводящие электроды шириной в 130 нм, отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электродами расположены массивы нанотрубок, которые замыкаются с обеих сторон на проводящие контакты. В обычном состоянии (состояние OFF) нанотрубки не касаются электродов и находятся над ними на высоте порядка 13 нм. Если к нижнему электроду приложить напряжение, то нанотрубка под воздействием электрического поля начнет выгибаться и коснется нижнего электрода.
О массовом производстве модулей NRAM-памяти В сравнении с традиционными типами памяти, память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это RAM-память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании Nantero, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5·109 бит/см 2 (на порядок больше, чем в выпускаемых ЗУ), а частота работы — до 2 ГГц. К настоящему времени компания Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти начнется в 2010 году. Предложено и пока технически нереализованное решение по созданию электромеханического запоминающего массива только на основе УНТ. Предлагается создать массив параллельных нанотрубок на подложке, а над ним с небольшим промежутком массив нанотрубок, перпендикулярный нижнему. Каждая трубка обоих массивов должна соединяться с металлическим электродом. Когда трубки не касаются друга, сопротивление запоминающей ячейки велико. Под действием электрического поля во включенном состоянии трубки касаются друга и сопротивление мало. При этом нижний массив трубок должен быть полупроводящим, а верхний металлическим. Тогда в точке контакта образуется выпрямляющий контакт, пропускающий ток только в одном направлении. Плотность записи информации в такой структуре достигнет 1012 бит/см 2. Технологически реализовать такую структуру пока достаточно сложно. Однако, в принципе можно использовать не параллельный массивы, а две хаотически пересекающиеся сетки нанотрубок со случайной сетью контактов. Такая структура будет наиболее близка к нейронным сетям и потребует новых подходов в организации архитектуры вычислительных устройств.
Самосборка Инженеры из подразделения IBM Research сумели разместить большое количество нанотрубок в заранее подготовленные места на кремниевой подложке. «Траншеи» на подложке создавались с помощью оксида гафния (Hf. O 2), после чего подложку обрабатывали водным раствором с нанотрубками. Отдельные нанотрубки принтягивались в траншеи и точно укладывались туда за счёт химических связей с оксидом гафния, в то время как остальные области подложки (Si. O 2) оставались чистыми Способность изолировать нанотрубки друг от друга и разместить их с высокой плотностью (около миллиарда на кв. см. ) чрезвычайно важна для возможности массового производства микросхем. До настоящего момента исследователям удавалось разместить только пару сотен нанотрубок изолированно друг от друга, чего недостаточно для создания полноценной микросхемы. Так что новый эксперимент IBM с более 10 тыс. нанотрубок — это значительный прорыв. Данный эксперимент — первый шаг по реальной интеграции транзисторов из нанотрубок в существующий коммерческий техпроцесс производства микросхем.
http: //www. nature. com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano. 2012. 189. html ion-exchange chemistry can be used to fabricate arrays of individually positioned carbon nanotubes with a density as high as 1 × 109 cm− 2—two orders of magnitude higher than previous reports
дисплей на углеродных нанотрубках Углеродные нанотрубкам имеют идеальную геометрию для создания эмиттеров атомарные размеры заостренных участков эмитирующей поверхности, обеспечивающие создание высоких электрических полей. К тому же они, как и графит, обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам, высокой механической прочностью, высокой температурой плавления, свойственной углеродным материалам. Наконец, они могут работать в условиях технического вакуума. Холодные эмиттеры на нанотрубках ключевой элемент плоского телевизора. Они заменяют горячие эмиттеры электронно-лучевых трубок и позволяют избавиться от небезопасных разгонных напряжений 20 -30 к. В. При комнатной температуре нанотрубки способны испускать электроны, производя ток такой же плотности, что и стандартный вольфрамовый анод при почти тысяче градусов, да еще и при напряжении всего 500 В.
Выпрямитель на УНТ Эффекты автоэлектронной эмиссии из нанотрубок используется для создания специальных выпрямителей. Берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму электроду. 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.
Минюатиризация рентгенаппаратов Источник рентгеновского излучения имеет вид вакуумной камеры с бериллиевым окном. Одностенные нанотрубки на металлическое подложке используются в качестве катода. Вольфрамовая сетка, расположенная на расстоянии 50 -200 мкм, служит управляющим электродом. Нанотрубки заменяют традиционные металлические нити катода, которые следует нагревать до рабочих температур порядка 1500 С и только затем подвергать воздействию электрического поля для получения эмиссионного тока. В случае нанотрубок нагрев не требуется, и установка потребляет меньше энергии. Предполагается, что на рынке медицинской аппаратуры новая техника появится примерно через год или два. Важнейшим преимуществом таких приборов является возможность их миниатюризации
Ионизационные ячейки Схема ионизационной ячейки, в которой вертикально ориентированные многостенные нанотрубки диаметром 25 -30 нм и длиной 30 мкм служат в качестве анода, а металлическая пластина - в качестве катода. Расстояние между нанотрубками составляет 50 нм, а между электродами 150 мкм. В области острия отдельных нанотрубок создается электрическое поле большой напряженности, вызывающее ионизацию отдельных молекул и коронный разряд вблизи острия нанотрубок. В результате электрического пробоя возникает самоподдерживающийся ток разряда между электродами. Напряжение пробоя при заданной температуре и давлении является характеристикой газа, что позволяет его идентифицировать По величине тока можно определить концентрацию газа: ток разряда пропорционален логарифму концентрации
Нанопинцет С учетом упругих свойств нанотрубок предложена конструкция простейшего нанопинцета, с помощью которого можно захватывать и переносить кластеры и подобные частицы нанометрового размера. В этом устройстве к двум золотым электродам прикрепляли, как это показано на рис. 7. 11 две многостенные нанотрубки диаметром 2050 нм и длиной 4 мкм. При подаче напряжения нанотрубки заряжаются, они начинают медленно изгибаться под действием сил электростатического притяжения, а их концы сближаться. По достижении порогового значения напряжения (8, 5 В), нанотрубки резко изгибаются, и между двумя нанотрубками возникает контакт. При этом между концами нанотрубок можно зажать наночастицу
Модифицированные зонды АСМ В экспериментах с химически модифицированным острием использовали многослойную нанотрубку, которую закрепляли на золотой пирамидке кремниевого кантилевера микроскопа. Острие нанотрубки укорачивали в кислородсодержащей атмосфере, прикладывая напряжение между нанотрубкой и поверхностью слюды с напыленным на ней слоем ниобия. При этом образуется открытый (без шапки) конец нанотрубки, заканчивающийся карбоксильной (–СООН) группой. Отметим, что методами органической химии карбоксильную группу можно заместить на другие функциональные группы.
Нанотехнология помогает выявить прионы, повышая безопасность пищи Опубликовано birger — 17 Октябрь, 2008 - 11: 42 Википедия: Прио ны (от англ. proteinaceous infectious particles — белковые заразные частицы) — особый класс инфекционных агентов, чисто белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных (т. н. «медленные инфекции» ). Коровье бешенство (трансмиссивная спонгиоформная энцефалопатия – ТСЭ) является смертельным состоянием у крупного рогатого скота, вызывающим прогрессирующее дистрофическое заболевание коры головного мозга, спинного мозга и др. Коровье бешенство, в последнее время связывают с некоторой формой болезни, которая вызвала смертельный исход у приблизительно 200 человек во всем мире. Сегодня тестирование телят на наличие такой болезни является трудоемким и длительным процессом, который далеко не всегда дает правильный диагноз. Ученые из Нью Йорка, получив целевое финансирование от Министерства Сельского Хозяйства США (USDA) и ряда связанных с ним организаций, разработали новый прибор, который может предоставить более быстрый, простой и надежный способ тестирования на наличие коровьего бешенства. Этот новый прибор ищет прионы, которые являются причиной ТСЭ. Прионы это дефектные протеины, которые превращают нормальные протеины в такие же дефектные, как они сами. Прионы являются причиной многих форм болезней мозга и нервной системы, включая ТСЭ у крупного рогатого скота, почесуха у овец и болезнь Крейтцфельдта — Якоба у людей. К сожалению, все эти болезни имеют очень длинный инкубационный период (как правило, несколько лет); поэтому часто больных особей обнаруживают слишком поздно. В настоящий момент времени не существует быстрых тестов для определения наличия прионов в теле крупного рогатого скота. Единственный существующий тест на определение наличия ТСЭ включает в себя несколько фаз, требует пожертвовать испытуемым животным и занимает время. Способ предполагает заражение животного кровью пациента; затем, через несколько месяцев инкубационного периода животное забивают и исследуют органы на наличие прионов. Точность диагностирования с использованием такого метода всего 31%. Необходим новый точный метод обнаружения прионов для того, чтобы успокоить общественное мнение, гарантировать безопасность национальных запасов продовольствия и улучшить баланс экспорта продуктов питания. Группа ученых во главе с Харольдом Крейгхедом (Harold Craighead) из Корнелльского Университета (Cornell University) разработала новый прибор, отвечающий требованиям дня наноразмерные резонаторы крошечные устройства, работающие по принцину звуковых резонаторов, изменяя высоту тона в зависимости от размера и массы объекта. Группа Крейгхеда в сотрудничестве с Ричардом Монтанья (Richard Montagna) из компании Innovative Biotechnologies International, Inc. Смоделировала подобный прибор по аналогии с известной идеей датчика бактериальных патогенов. Прионы, связанные с кремниевым сенсором резонатора, вызывают изменение резонансной частоты прибора. На испытаниях сенсор обнаруживал прионы в концентрациях до двух нанограмм на миллиметр, что является самой низкой концентрацией из измеренных на сегодняшний день. Новый прибор пока «умеет» распознавать прионы только в соляном растворе. Работы группы ведутся в направлении универсализации и усложнения среды, в частности, для использования резонатора для определения прионов в крови.
Основные ПРОБЛЕМЫ, КОТОРЫЕ ТРЕБУЮТ РЕШЕНИЯ Самый труднопреодолимый и существенный недостаток УНТ это то, что манипулирование ими затруднено из‑за очень маленьких размеров элементов и осуществляется в основном методом АСМ. До сих пор исследователям не удавалось добиться одновременного регулирования размеров и пространственного положения углеродных нанотрубок, которое требуется для построения на их основе транзисторных цепей. невозможность синтезировать нанотрубки четко определенных размеров (хиральности), характеризующиеся определенными электрическими свойствами. Обычно при синтезе образуются нанотрубки с большим разбросом параметров, что не позволяет использовать их серийно; производственно-технологические трудности интеграции нанотрубок в серийные микроэлектронные устройства – сложности ориентации, обеспечения определенного месторасположения; нагрев и значительные потери энергии в местах соединения «металл‑нанотрубка» из‑за высокого сопротивления соединения.
Спасибо за внимание !
Скачать презентацию Углеродные нанотрубки и волокна Углеродные нанотрубки УНТ Классификация
УНТ.ppt