Перспективні матеріали План викладу матеріалу розділу

	Аерогель
	Фулерени і матеріали на їх основі
	Методи отримання фуреленів
	Нанотрубки їх властивості і застосування
	Наномережі
	Графен

Аэрогелі (від лат. aer — повітря й gelatus — заморожений) — клас матеріалів, що представляють собою гель, у якому рідка фаза повністю заміщена газоподібної. Такі матеріали мають рекордно низьку щільність і демонструють ряд унікальних властивостей: твердість, прозорість, жароміцність і т.д. Поширені аэрогели на основі аморфного диоксиду кремнию, глиноземів, а також оксидів хрому й олова.

Перші зразки аерогелю з'явилися відносно давно. Однак його виробництво, що вимагає високих температур і тисків, виявилося непростим завданням. У досить великому масштабі воно було реалізовано тільки наприкінці минулого століття. На початку 1990-х отримано перші зразки аерогелю на основі вуглецю.

А ерогелі є самими легкими у світі речовинами і мають найнижчу щільність упакування молекул. До 99% його об'єму займає повітря, а інше - це кварц, вуглець, метали й інші елементи. Деякі сполуки витримують навантаження, що перевищує власну вагу майже в 2000 разів (якщо навантажувати поступово) (Рис.1). Найпоширеніші кварцові аэрогели, їм також належить поточний рекорд по найменшій щільності у твердих тілах — 1,9 кг/м³, в 500 разів менше щільності води. Кварцові аэрогели пропускають сонячне світло, але сильно поглинають теплове випромінювання. Завдяки цьому, а також надзвичайно низької теплопровідності (0,003 Вт/(м·К)), вони застосовуються в будівництві в якості теплоізолюючих і теплоутримуючих матеріалів (Рис.2). Температура плавлення кварцового аэрогеля становить 1200°C.

Вуглецеві аерогелі складаються з наночастиц, ковалентно зв'язаних одна з одною. Вони электропровідні й можуть використатися як електроди в конденсаторах. За рахунок дуже великої площі внутрішньої поверхні (до 800 м²/грам) вуглецеві аэрогели знайшли застосування у виробництві суперконденсаторів (іионисторів) ємністю в тисячі фарад. У цей час досягнуті показники в 10⁴ Ф/грам і 77 Ф/см³. Вуглецеві аерогелі відбивають усього 0,3% випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 0,25 до 14,3 мкм, що робить їх ефективними поглиначами сонячного світла.

На базі алюмооксидних аерогелей з добавками гадолінію і тербію у НАСА був розроблений детектор високошвидкісних зіткнень: у місці зіткнення частки з поверхнею відбувається флюоресценція, інтенсивність якої залежить від швидкості співударяння.

Серед твердих матеріалів аерогель має мінімальний акустичний імпеданс, що може задаватися шляхом зміни щільності аэрогеля. При використанні аэрогеля як согласуючого інтерфейс між генератором звуку й повітрям, імпеданси яких сильно розрізняються, вихід звуку зростав у сотні разів.

Аэрогели мають найнижчі діелектричні константи, і використання їх, наприклад, як ізоляційних шари в багатошарових друкованих платах дозволяє значно підвищити швидкодію електроніки.

В наш час почався перехід електроніки в нанометричну область і провідні фірми і лабораторії вже почали справжню гонку. На дослідження в цій галузі витрачаються значні кошти.

Зменшення мінімального розміру вимагає використання не лише складних технологічних рішень, а й нових матеріалів. Надзвичайно перспективною для використання в субмініатюрній електроніці вважається модифікація вуглецю С₆₀, яку називають “фулерен” С₆₀. Цей термін пов’язаний з іменем американського архітектора та інженера Фуллера, який розробляв легкі і міцні архітектурні конструкції із стандартних багатокутових елементів.

Ця модифікація вуглецю була відкрита в 1985 році при вивченні продуктів випаровування графіту під дією потужного сфокусованого лазерного випромінювання, в яких крім молекул С₆₀ були виявлені молекули С₇₀, С₅₀, С₃₂, С₂₈, С₂₄ та інші. За відкриття фулеренів Роберт Кел, Гарольд Крото та Річард Смоллі були удостоєні Нобелівської премії з хімії за 1996 рік.

Раніше були відомі такі модіфікації вуглецю, як сажа, алмаз і графіт.

Алмаз рис.3 складається тільки|лише| з одного елементу вуглецю - того ж самого, з|із| якого складається звичайна сажа і графіт фото. 4. У алмазі рис.5 кожен 4-х валентний атом вуглецю пов'язаний з іншим атомом вуглецю чисто ковалентним зв'язком і кількість таких зв'язаних в каркас атомів надзвичайно велика.

У кристалі графіту атоми вуглецю зв'язані декілька інакше (рис.6). Вони об'єднані|з'єднані| в плоскі шари, що складаються з правильних шестикутників. В цих шестикутниках атоми вуглецю зв'язані між собою як простими, так і подвійними зв'язками . Відстань між шарами в графіті досить велика, а сили взаємодії між ними досить, тому графіт може розщеплюватися на тонкі лусочки.

Рис.5.Алмаз Рис.6. Графіт

Блізький родич вуглецевих зверхмолекул - графен. Теоретично передбачений ще в 1947 році, графен достатньо тривалий час не могли отримати на практиці, і лише в 2004 році учені вперше добилися успіху рис.7.

Графен – це планарна (2-мірна) гексагональна кристалічна решітка, що складається з атомів вуглецю рис.7 . Кажучи простіше, графен – це вуглецеві 6-гранная ("стільникова") грати завтовшки в один атом; на зразок зрізу графіту одноатомної товщини рис.8. Грати - саме 6-гранні, бо у разі порушення цього правила плоска 2-мірна структура графена обов'язково згорнеться в щось інше, на зразок вуглецевої нанотрубки або навіть фуллерена.

Рис.7. Графен Рис.8. Модель графену

Поєднання фізичних і хімічних властивостей графена унікально. Наприклад, через одноатомну товщину чистий графен абсолютно прозорий і при цьому є відмінним провідником з високою рухливістю носіїв струму при кімнатній температурі. Завдяки цьому є безліч проектів виготовлення прозорих графеновых електродів – наприклад, для світлодіодів або сонячних батарей.

Експерименти з графеном і його похідними довели можливість отримання на практиці будь-яких типів напівпровідників і останнім часом все говорить про те, що саме графен прийде на зміну кремнію в наноелектроніці наступного покоління. Більш того, саме графеном, як якіснішим провідником струму і відмінним провідником тепла збираються замінювати мідні провідники в мікросхемах майбутнього. Графену також передбачають велике майбутнє як основу елементів пам'яті і навіть накопичувачі електричної енергії – суперконденсатори і батареї живлення.

Графен, як і його найближчий родич – алмаз, дуже міцний, за останніми даними – в 200 разів міцніше чим сталь, що також дає певні переваги при виготовленні різних елементів напівпровідникових чіпів, навіть таких екзотичних як наноелектромеханічні мембрани для надчутливих сенсорів.

Для вирощування графена на мідній фользі рис.9 використовувалася методика хімічного осадження з газової фази в парах метану і водню. Розчинність вуглецю в міді при цьому дуже низка, і це також сприяє формуванню плівок мономолекулярного графена на полікристалічних мідних підкладках значної площі. На рис.10 зображені знімки з електронного мікроскопу.

Рис.9. Вирощування графена на мідній фользі

Ученими успішно проведені експерименти по отриманню графеновых плівок, перенесених на звичайну кремнієву пластину з верхнім шаром діоксиду кремнію рис.11.

Рис.10. Графенові плівки на фользі Рис. 11. SiO₂ на графені

Проведені експерименти по створенню, моделюванню і тестуванню польового графенового транзистора n-типа із застосуванням так званих "нанострічок" графена – графеновых "наносмужок" шириною в декілька нанометрів і товщиною все в той же єдиний атом рис.12.

Рис.12. Знімки графеновой нанострічки на кремнієвій підкладці скануючим електронним мікроскопом (SEM, вгорі) і відповідні знімки скануючим атомно-силовим мікроскопом (AFM).

У нікальні електронні властивості графена досліджуються вченими на предмет використання його як початковий матеріал для виробництва надмініатюрних і швидких транзисторів рис.13.

Однією із серйозних переваг графена є простота виробництва ИС на графеновій основі. Для цього не буде потрібно складного встаткування, на новій основі можна буде виготовляти мікросхеми в більших кількостях за допомогою вже добре відомої нанолітографії.

У ченим вдалося розробити абсолютно новий матеріал на базі графена. Про нову речовину, що отримала назву Графан (Graphane) зараз говорять не інакше як про революційний винахід, що відкриває нову сторінку в історії електроніки рис.14. На відміну від графіту, який славиться як достатньо хімічно інертний матеріал, графен - "найближчий родич" графіту з гратами завтовшки в один атом, графен охоче вступає в реакцію з різними речовинами, формуючи в результаті похідні з різноманітними властивостями. на відміну від графена, що володіє чудовою провідністю, графан виявився діелектриком.

Т аким чином, один наноматеріал за допомогою хімічної реакції перетворюється на інший з абсолютно іншими властивостями. В результаті взаємодії графена з воднем були отримані нові двомірні кристалічні структури. На рис.15. червоним розцвічені атоми водню, синім – вуглецю.

Рис.15 Графан

Фулерени – це вуглецеві багатоатомні молекули із загальною формулою С_n (n –парне число), які мають конфігурацію випуклого замкненого багатогранника (рис.26). Технологія одержання фулеренів полягає в переробці графіту в фулерен методом лазерного або електродугового випаровування в атмосфері інертного газу(рис.27)

Рис.26. Модель фулерену Рис.27. Схема обладнання: 1-катод, 2-анод,

3-шар осаду з вмітом фулерену,

4- плазма дуги.

Дослідження фулерену С₆₀ виявили, що він належить до молекулярних кристалів, у яких ковалентний зв’язок між атомами вуглецю у кожній молекулі С₆₀ значно сильніший від міжмолекулярного ван-дер-ваальсівського типу. Температура плавлення кристалу С₆₀ близька до 530 К, тобто значно нижча, ніж графіту та алмазу. Фулерен С₆₀ є напівпровідником з шириною забороненої зони ∆W =1,55 eB. Легуванням в ньому можна створити p-n переходи, і на цій основі виготовляти фулерен -транзистори.

З поміж усіх інших молекул С₆₀ має найбільш симетричну геометричну форму рис.28.

Велике зацікавлення викликають можливості застосування в електронній техніці вуглецевих нанотрубок. Вуглецеві нанотрубки — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох мікрон складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин (графенів) і закінчуються зазвичай півсферичною головкою рис.16. Вигляд нанотрубки в електронному скануючому мікроскопі приведений на рис. 17.

Рис.16.Модель нанотрубки Рис.17. Вигляд нанотрубки в

електронному мікроскопі

Розрізняють: прямі і спіральні нанотрубки, металеві та напівпровідникові нанотрубки, одношарові і багатошарові нанотрубки (Рис.18), леговані металом (Рис.19).

Рис.18. Нанотрубки: a-пряма, b-спіральна,

c-з спіральною головкою, d-багатошарова Рис.19. Легована металом нанотрубка

На основі нанотрубки вченими був побудований у-транзистор рис.20. Для цього була розроблена спеціальна технологія вирощування нанотрубок: спочатку вчені виростили звичайну нанотрубку, потім на її поверхню були нанесені наночастинки титану. Вони послужили каталізатором, і в результаті на вже сформованій трубці була вирощена ще одна гілка. При дослідженні властивостей такої нанотрубки з'ясувалося, що при подачі негативного потенціалу на стовбур нанотрубки протікання електронів між гілками припиняється. І навпаки, при подачі позитивного потенціалу на стовбур протікання відновлюється. Цей процес аналогічний процесу, який протікає в транзисторах, тільки в ролі затвора виступає стовбур нанотрубки. Польовий транзистор рис.21. Нанотрубка лежить на непровідній підкладці у контакті з двома надтонкими дротами, в якості третього електрода (затвора) використовується кремнієвий шар.

Рис.20.Транзистор з нанотрубок рис.21. Польовий транзистор

Світловипромінююча нанотрубка (рис.22) представляє собою польовий транзистор. Подаючи на затвор транзистора низьку напругу, можна включати й виключати його, управляючи світінням. Нанотрубка розміщується на підкладці з оксиду кремнію, під яким перебуває електрод, керуючий затвором. На одній зі сторін нанотрубки розташоване джерело, а на іншій - стік транзистора. У середині нанотрубки електрони й дірки нейтралізують один одного, генеруючи фотони, тобто випромінюючи світло.

С творено й випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випромінюватися електрони, які попадають на фосфоресцируючий екран і викликають світіння пикселя.

Інше цікаве застосування нанотрубок - це створення енергонезалежної оперативної пам'яті NRAM (Nonvolatіle Random Access Memory).

У запропонованої конструкції (рис. 23) на кремнієву підкладку наноситься тонка ізолююча плівка оксиду кремнію, уздовж якого розміщені струмопровідні електроди шириною в 130 нм, відділені друг від друга ізолюючими шарами. Над електродами перпендикулярно до них розташовані масиви нанотрубок, які замикаються по обидва боки на провідні контакти. У звичайному стані (стан OFF) нанотрубки не торкаються електродів і перебувають над ними на висоті порядку 13 нм. Якщо до нижнього електрода прикласти напругу, нанотрубка під впливом електричного поля почне вигинатися й торкнеться нижнього електрода. Однак такий стан (стан ON) виявляється стійким за рахунок балансу між виникаючою механічною напругою й Ван-дер-Ваальсовими силами (рис. 24). У результаті навіть після зникнення напруги форма нанотрубки не зміниться. Таким чином, міняючи напругу на електроді, можна переходити між двома стабільними механічними станами нанотрубок, в одному йз яких є контакт із електродом, а в іншому - немає. Один із цих станів буде відповідати логічному нулю, а інший - логічній одиниці.

Рис.23. Пам’ять на нанотрубках Рис.24. Механічні стани нанотрубок

У порівнянні із традиційними типами пам'яті, пам'ять NRAM має ряд переваг. По-перше, незважаючи на те, що це RAM-пам'ять, вона є енергонезалежною. По-друге, по твердженнях компанії Nantero, щільність запису інформації в пристроях NRAM може досягати 5 млрд. біт на квадратний сантиметр (у кілька разів більше, ніж у сьогоднішніх мікросхемах пам'яті), а частота роботи пам'яті - до 2 Ггц.

Мережі|сіті| з|із| вуглецевих нанотрубок|люльок| (наномережі|сіті|) рис.25, можуть виконувати різноманітні|всілякі| елементарні функції, лежачі в основі електронних ланцюгів|цепів|. Використовуючи останні відкриття|відчиняти| хімії, фахівці|спеціалісти| можуть створювати такі мережі|сіті|, що володіють провідними властивостями металів, або характеристиками напівпровідникових пристроїв і достатньо|досить| прості у виготовленні. Розчиняючи нанотрубки|люльки| в рідині і напилюючи отриманий|одержувати| розчин, інженери можуть формувати тонкі шари, скажімо, на гнучких листах пластмаси або ж накладати і друкувати дані матеріали поверх інших шарів, що мають інші електронні функції, наприклад на речовини, які при додатку|застосуванні| напруги|напруження| випускають світло.

Ф отонний кристал є середовищем, у якому штучно створене додаткове поле з періодом, який на порядки перевищуючий період основних ґрат. Для фотонів таке поле одержують періодичною зміною коефіцієнта переломлення середовища - в одному, двох або трьох вимірах (1D-, 2D-, 3D-фотонні структури відповідно). Якщо період оптичної решітки зрівняємо з довжиною електромагнітної хвилі, то поводження фотонів кардинально відрізняється від їхнього поводження в ґратах звичайного кристала, вузли якого перебувають друг від друга на відстані, багато меншому довжини хвилі світла. Тому такі ґрати й одержали особливу назву - фотонні кристали.

Ф отонні кристали є|з'являються| матеріалами, оптичні властивості яких міняються, підкоряючись певній закономірності; амплітуда коливань складає декілька сотень нанометрів. Ідеальний фотонний кристал передаватиме світло тільки|лише| одній довжини хвилі і блокуватиме проходження всіх останніх рис.31.

Найпростіший матеріал даного типу|виду| має шарувату структуру. Залежно від ряду|лави| умов фотонний кристал може працювати як дзеркало, що поглинає світло певного кольору|цвіту|, який при цьому може мінятися залежно від кута|рогу||поглянути|. Природним фотонним кристалом є|з'являється| опал ( рис.32).

Рис.32. Опал

Прикладом особливого типу скла відомого як дихроїчне є кубок Лігура. Непрозорий кубок зеленого кольору перетворюється на напівпрозорий червоного кольору, коли світитло проходить крізь нього. Скло містить невелику кількість колоїдного золота і срібла, які надають йому ці незвичайні оптичні властивості рис.33.

Незважаючи на те що ідея фотонних зон і фотонних кристалів затвердилася в оптиці лише за останні кілька років, властивості структур із шаруватою зміною коефіцієнта переломлення давно відомі фізикам.

Рис.33. Кубок Лігура

Одним з перших практично важливих застосувань таких структур стало виготовлення діелектричних покриттів з унікальними оптичними характеристиками, застосовуваних для створення високоефективних оптичних спектральних фільтрів і зниження небажаного відбиття від оптичних елементів (така оптика одержала назву проясненої) і діелектричних дзеркал з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%.

Відбиття й пропущення на границі двох середовищ описується законом Снелліуса. Формулюється він математично дуже просто:

n₁sіn q₁=n₂sіn q_{2 (1)}

Тут n₁ і n₂ - показники переломлення середовищ на границі, де відбувається відбиття світла, а q₁ і q₂ це саме кути падіння й переломлення. Переломлений промінь світла відхиляється, але при цьому ніколи - у зворотному напрямку.

У різних областях фізики існує так зване правило "правої руки". Саме цьому правилу підкоряється процес відбиття й переломлення світла в переважній більшості "нормальних" речовин, тобто речовин з позитивним показником переломлення. Однак, як виявилося, у природі можуть існувати й речовини які підкоряються правилу "лівої руки". У цьому випадку (тобто на границі середовища з негативним показником переломлення) світло буде поширюватися у зворотному напрямку. У підсумку два пучки, які переломлюються на різних границях середовища, можуть навіть перетинатися ( рис.29).

Теоретично можливість такого ефекту була передвіщена ще в 1968 році фізиком В. Г. Веселаго. Показник переломлення визначається формулою:

(2)

(ε₀ і μ₀ - електрична й магнітна константи).

Оскільки й діелектрична, і магнітна проникність - величини комплексні, то величина n може бути як позитивної, так і негативної.

Якщо говорити про практичну користь такого ефекту, то варто згадати, що в "правій" оптиці не можна одержати зображення такої ж якості, що й вихідне. Причина полягає в тім, що в "правій" оптиці не можна сфокусувати промінь у точку, розмірами менше довжини хвилі (помноженої на константу). Для "лівої" оптики такого обмеження не існує! Можливе створення "суперлінзи", що буде фокусировать світло в точку, розміром у сотні разів меншу, чим довжина хвилі падаючого світла( рис.34).

Фотонні кристали можна розділити на провідники, ізолятори, напівпровідників і надпровідники.Фотонні провідники мають широкі дозволені зони. Це прозорі тіла, у яких світло пробігає велику відстань, практично не поглинаючись. Інший клас фотонних кристалів - фотонні ізолятори - має широкі заборонені зони. Такій умові задовольняють, наприклад, широкодіапазонні багатошарові діелектричні дзеркала. На відміну від звичайних непрозорих середовищ, у яких світло швидко загасає, перетворюючись у тепло, фотонні ізолятори світло не поглинають. Що ж стосується фотонних напівпровідників, то вони мають більш вузьки в порівнянні з ізоляторами заборонени зони. На рис.35 показане співвідношення дозволених і заборонених енергетичних зон, що відповідають різним випадкам: фотонного провідника (а), фотонного ізолятора (б), фотонного напівпровідника (в), ε_g - ширина забороненої фотонної зони.

Матеріали, відомі як фотонні кристали, можуть послужити основою для побудови|шикування| вузлів оптичних комп'ютерів або мініатюрних комунікаційних пристроїв|устроїв|.

Використання фотонних напівпровідників зручно для організації керування світловими потоками. Це можна робити, наприклад, впливаючи на положення й ширину забороненої зони. Фотонні кристали становлять величезний інтерес для побудови лазерів нового типу, оптичних комп'ютерів, зберігання й передачі інформації. Фотонні кристали передбачається використати для створення оптичних інтегральних схем так само, як звичайні напівпровідники, метали й діелектрики використаються для створення електронних інтегральних схем.