Заполнение наноструктур металлами Павлов Н Д Санкт-Петербург 2013

Заполнение наноструктур металлами Павлов Н. Д. Санкт-Петербург, 2013 год

1. • • 2. • • Введение Виды нано-структур Практическое применение нано-структур Методы заполнения методы заполнения УНТ методы заполнения фуллеренов Оглавление

Именно углеродные наноструктуры имеют очень большие перспективы, так-как их можно использовать как формы или контейнеры для хранения веществ и т. д. В этой презентации речь пойдет о самих нано-структурах и о методах их заполнения. Нанотрубка {0, 10} Введение Молекула фуллерена С 60

1. Фуллерен – аллотропная модификация углерода. Представляет собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа расположены в пространстве, атомов углерода. Фрагмент слоя графита для образования молекулы с60 Молекула фуллерена С 60 Виды нано-структур Молекула фуллерена С 70

2. Углеродные нанотрубки – протяженные цилиндрические поверхности. Они состоят из свернутых в трубку слоев графита[4]. Заполнение углеродных нанотрубок стало возможно только после разработки методов раскрытия одного из её концов [5]. Фрагмент слоя графита для образования угеродной нанотрубки Углеродая нанотрубка с молекулами фуллеренов на концах Виды нано-структур Схематическое изображение углеродной нанотрубки

Фуллерены имеют широкую область применения: • В автомобилестроении(присадки, смазки, масла, аккумуляторы) • В медицине(антиоксидант) • В химии(высокопрочные и износостойкие полимеры) Углеродные нанотрубки: • В химии(добавки в полимеры, катализаторы) • В физике(поглощение и экранирование электромагнитных волн, преобразование энергии, аноды в литиевых батареях, нанозонды, датчики, суперконденсаторы, хранение водорода) Нитевидное волокно из углеродных нанотрубок Фильтр снизу пористая керамическая подложка, сверху слой из УНТ • Практическое применение нано-структур

Проблема заполнения УНТ металлами, актуальна по той причине, что возможно направленное воздействие на электронные характеристики УНТ [11]. Методы заполнения

Степень заполнения УНТ металлами зависит от длины самой УНТ. Данная зависимость показана в[18]. При увеличении длинны УНТ, её наполненность уменьшается. Однослойные нанотрубки заполненные Li Методы заполнения

Заполнение нанотрубок становится возможным только после раскрытия одного из её концов. УНТ заполнены молекулами фуллерена С 60[6, 7] Схематическое представление открытых концов нанотрубок Методы заполнения

Рассмотрим подробно методы заполнения УНТ: • Заполнение УНТ за счет капиллярного эффекта • Заполнение УНТ при помощи электролиза • Заполнение УНТ облучением ионным пучком • Заполнение УНТ в процессе их синтеза Методы заполнения

Заполнение УНТ за счет капиллярного эффекта возможно только при условии достаточно низкого поверхностного натяжения (менее 200 м. Н м^-1)[8]. Наличие капиллярности в зависимости от поверхностного натяжения вещества[28] Методы заполнения

В опыте[9] были получены углеродные нанотрубки заполненные свинцом. Свинец попадал внутрь нанотрубки за счет капиллярного эффекта. Частично заполненная УНТ свинцом. Методы заполнения

В экспериментах [10, 11] были получены УНТ с окислами никеля, кобальта и железа. Растворенные в азотистой кислоте металлы попадали внутрь УНТ за счет капиллярности. Изображение окисла металла находящегося в полости УНТ. Методы заполнения

Возможно формирование кристаллических структур в УНТ. Примером может служить работа[12], в которой был внедрен в полость УНТ монокристалл Sb 2 O 3. Изображение монокристалла Sb 2 O 3 в полости УНТ[12]. Методы заполнения

В работе [13] был выращен кристалл KI внутри УНТ с кристаллической решеткой 2 х2. Что доказывает возможность выращивания кристаллов внутри УНТ. Изображение кристаллической структуры KI Методы заполнения

При облучение УНТ электронным пучком в[14] с энергией 300 э. В, у кристалла Zn. Cl 4 произошёл отрыв молекулы Cl 2, и произошло частичное восстановление цинка. После этого наблюдается кристаллизация оставшейся структуры. На рисунке (а) представлен Zn. Cl 4 в УНТ, (b) облученная УНТ малой дозой, (d) длительное облучение УНТ электронным пучком, приводит к окончательному разделению кластеров и образование квантовых точек, состоящих из нанокристаллов цинка. t Методы заполнения

Заполнение УНТ парами металла. УНТ в [15] выдерживали в парах калия в течение 25 часов. В результате полости УНТ и пространство между жгутов были заполнены калием. Отношение К/C ~ 0, 14 в полученных УНТ. В работе[16] были получены УНТ заполненные Li этим-же способом. Методы заполнения

Электрохимический метод заполнения УНТ основан на пропускании тока через электролит, содержащего растворенные атомы металла. В качестве анода используется металлический электрод, а катодом образец содержащий УНТ. В [17] этим методом заполнили УНТ Li. На рисунке представлены УНТ содержащие Li как снаружи так и внутри. Методы заполнения

Заполнение УНТ облучением ионным пучком приведена в работе[19]. В этом опыте УНТ были облучены ионами цезия, в результате чего были частично заполнены атомами Cs. На (a) представлены УНТ содержащие Cs. На (b) z-контраст. (a) На (c) представлены УНТ содержащие Cs, причем отчетливо видно границу раздела заполненной части и нет. На (d) zконтраст. (c) Методы заполнения

При помощи каталитического синтеза были получены[20] УНТ содержащие такие металлы как: Rh, Pd, Pt, Mn, Co, Fe, Ni, Sc, La, V, Ce, Cd, Zr, Y, Ti и. т. д. Методы заполнения

Рассмотрим подробно методы заполнения эндоэдральных фуллеренов: • Заполнение эндоэдральных молекул фуллеренов в процессе синтеза самих молекул • Заполнение эндоэдральных молекул фуллеренов после синтеза самой молекулы Методы заполнения

Методом лазерного распыления в работе[22] были получены эндоэдральные фуллерены La@C 60 и La 2@C 60. Масс спектр полученный в результате распыления графитового диска[22]. n Методы заполнения

Электродуговым методом были получены эндоэдральные молекулы фуллеренов в опыте[23] и получен в макроскопическом объеме La@C 82 и в [24] получен Sc 3@C 82. Масс спектр полученный в результате распыления графитового анода, содержащего внутри Sc[24]. Методы заполнения

Газовый метод синтеза ЭМФ. При длительном нагреве и высоком давлении молекул фуллеренов в присутствии газов, происходит поглощение фуллереном молекул газа. Так были получены ЭМФ с атомами: He, Ne, Ar, Kr, Xe[25]. Методы заполнения

Методом ионной имплантации была успешно синтезирована ЭМФ N@C 60 содержащая внутри N. Схема установки для получения N@C 60 посредством одновременного напыления С 60 на подложку и облучением ионами азота. 1. источник ионов азота, 2. электростатическая линза, 3. подложка для напыления фуллеренов, 4. устройство для контроля толщины покрытия, 5. источник пучка фуллеренов, 6. вакуумная камера, 7. водяное охлаждение Методы заполнения

1. Kroto H W et al. Nature 318 162 (1985) 2. KraÈ tschmer Wet al. Nature 347 354 (1990) 3. Елецкий А В, Смирнов Б М УФН 163 (2) 33 (1993); 165 977 (1995 ) 4. Елецкий А В, Смирнов Б М УФН 165 989 (1995) 5. Ajayan P M, Iijima S Nature 361 333 (1993) 6. Smith B W, Monthioux M, Luzzi D E Nature 396 323 (1998) 7. Burteaux B et al. Chem. Phys. Lett. 310 21 (1999) 8. Ebbesen TWAnnu. Rev. Mater. Sci. 24 235 (1994) и Ebbesen TWPhysics Today 49 (6) 26 (1996) 9. Ajayan P M, Iijima S Nature 361 333 (1993) 10. Tsang S C et al. Nature 372 159 (1994) и Tsang S C et al. J. Chem. Soc. Chem. Commun. (17) 1803 (1995) 11. Tsang S C et al. J. Chem. Soc. Chem. Commun. (17) 1803 (1995) 12. Sloan J et al. Acc. Chem. Res. 35 1054 (2002) 13. Sloan J et al. Chem. Phys. Lett. 329 61 (2000) 14. Brown G et al. Chem. Commun. (9) 845 (2001) 15. Suzuki S et al. Phys. Rev. B 67 115418 (2003) 16. Ye J T et al. Phys. Rev. B 67 113404 (2003) 17. Maurin G et al. Nano Lett. 1 75 (2001) 18. Shimoda H et al. Phys. Rev. Lett. 88 015502 (2002) 19. Jeong G-H et al. Phys. Rev. B 68 075410 (2003) 20. Saito Y et al. Chem. Phys. Lett. 212 379 (1993) 21. Yosida Y Appl. Phys. Lett. 64 3048 (1994) 22. Heath J R et al. J. Am. Chem. Soc. 107 7779 (1985) 23. Fuchs D, Adelman P, Michel R, in Progress in Fullerene Research. Int. Winterschool on Electronic Properties of Novel Materials, Austria, 1994 (Eds H Kuzmany et al. ) (Singapore: World Scientific, 1994) p. 108 24. Shinohara H et al. J. Phys. Chem. 98 8597 (1994) 25. Елецкий А В УФН 170 118 (2000) 26. Weidinger A et al. Appl. Phys. A 66 287 (1998) 27. Tellgmann R et al. Nature (London) 382 407 (1996); in Fullerenes and Fullerene Nanostructures (Eds H Kuzmany et al. ) (Singapore: World Scientific, 1996) p. 168 28. Ebbesen TWPhysics Today 49 (6) 26 (1996) Использованная литература