ЖОСПАР

Кіріспе .................................................................................................................

1. Аналитикалық бөлім

   1. Көміртекті нанотүтікшелер

   2. Көміртекті нанотүтікшелердің эмиссиялық қасиеттері

2. Практикалық бөлім

Қорытынды .......................................................................................................

Қолданылған әдебиеттер ..................................................................................

КІРІСПЕ

Соңғы жылдар жаңа қасиеттерге ие жаңа материалдар мен құрылымдар жасауға мүмкіндік беретін ғылым мен технологиядағы жаңа бағыттың – нанотехнологияның қарқынды дамуымен сипатталды. Осы құрылымдардың ішінде ерекше қызығушылық тудыратын – көміртекті нанотүтікшелер (КНТ). Көміртекті нанотүтікшелер өздерінің механикалық және электрондық қасиеттерінің, өте кішкентай өлшемі мен көміртектің инерттілігінің арқасында заманауи жоғары технологиялардың ерекше қызығушылығына ие болды.

Көміртекті нанотүтікшелер молекуланың да, қатты дененің де қасиеттеріне ие және заттың аралық күйі ретінде қарастырылуы мүмкін. Осы қасиет зерттеушілердің қызығушылықтарын арттырды. Аталған қасиеттер әртүрлі ғылым салалары мен технологиялардағы нанотүтікшелердің эффективті қолданылуының негізі болуы мүмкін.

Көміртекті нанотүтікшелердің алғашқы зерттеулерінің нәтижелері олардың бірегей қасиеттерін көрсеткен еді. Олар балқытылған металлдар мен басқа да сұйық заттарды өз бойына сіңіре алады. Нанотүтікшелердің аталған қасиетін жүзеге асыру наноөлшемді электрондық қондырғылардың негізі болатын диаметрі нанометр шамасындағы өткізгіш жіптердің жасалуына жол ашады. Жақында нанотүтікшенің ішіне асқын өткізгіш материалды (TaC) еңдіру мүмкіндігі көрсетілді. Аталған материал эксперимент нәтижесінде өзінің асқын өткізу қабілетін T<10 К жоғалтқан жоқ. Көптеген теориялық есептеулерге сүйенсек, әрбір нанотүтікшенің электрлік қасиеті ,айтарлықтай мөлшерде, оның хиралдығына тәуелді, яғни графитті жазықтықтың орналасу бұрышының түтікше осіне қатысты тәуелділігі. Хиралдығына байланысты бірқабатты нанотүтікше графит сияқты тыйым салу зонасы жоқ жартылай металл немесе тыйым салу зонасы 0.01-0.7 эВ аралығын қамтитын жартылай өткізгіш болуы мүмкін. Хиралдығы әртүрлі, демек электрлік қасиеттері де әртүрлі екі нанотүтікшені біріктіру өлшемі бірнеше нанометр болатын p-n ауысу болып табылады және болашақтағы электрондық құрылғылардың негізі бола алады. Тура эксперимент нәтижелері бойынша нанотүтікшелер жоғары эмиссиондық қасиетке ие; автоэлектронды эмиссия тогының тығыздығының мәні кернеу шамамен 500 В, бөлме температурасы қалыпты болғанда 0.1 А см^-2 болады. Бұл нанотүтікшелерді электроникада қолданудың тағы бір мүмкіндігін ашады.

Нанотүтікшелердің жоғары механикалық беріктігімен қатар электрөткізгіштігі оларды ұсақ біртекті емес беттерді зерттейтін сканерлеуші микроскоптың зонды ретінде қолдануға мүмкіндік береді. Бұл аталған құрылғылардың рұқсат етілген қабілеттерін бірнеше есе арттырып, осы құрылғыларды полевой ионды микроскоп сияқты бірегей құрылғылармен қатар қояды. Нанотүтікшелерді химиялық технологияларда қолдану да көзделген. Осы саладағы мүмкін болар бағыттардың бірі көміртекті нанотүтікшелердің высокая удельная поверхность пен химиялық инерттігіне байланысты нанотүтікшелерді гетерогенді катализде подложка ретінде қолдану.

Көміртекті нанотүтікшенің ұзындығының еніне қатынасы үлкен болғандықтан және ұштарындағы жақсы электрөткізгіштігінің себебінен аз кернеуде де электр өрісінің жоғары кернеулігі туындайды, ал бұл автоэлектрондық эмиссияға алып келеді. Осы себепті көміртекті нанотүтікшелер келешекте олардың негізінде төменвольтты автоэлектрондық эмиттер жасаудың көзі болуы ықтимал.Алғашқы эксперименттердің өздерінде КНТ автоэмиссиялық қасиеттерінің бірегейлігі анықталған. Кейіннен бұны АҚШ пен Швейцария ғалымдары дәлелдеген. КНТ кез келген формадағы бетке оңай наноситься. Сонымен бірге көптеген нанотүтікшелерден тұратын планарлы автоэлектрондық эмиттерлер жасау мүмкіндігі ашылады. Дәл осы эмиттерлер вакуумды электронды құрылғылар үшін практикалық қызығушылық тудырып, улкен сұранысқа иеленіп отыр.

Қазіргі таңда бірқабатты, көпқабатты нанотүтікшелерден жасалатын автоэлектронды эмиссияны зерттеуге арналған жұмыстар өте көп. КНТ эмиссиялық қасиеттері ашылғанына 15 жылға жуық уақыт өтсе де, іргелі де қолданбалы да салаларда анықталмаған сұрақтар көп.

Осылайша, көміртекті нанотүтікшелер – жаңа физикалық объект, ерекше қасиеттерінің себебінен оларды әртүрлі ғылым және технологияларда эффективті қолдануға болады.

Көміртекті нанотүтікшелер

1. . Көміртекті нанотүтікшелердің құрылымы

Көміртекті нанотүтікшелер (КНТ) – ұзын цилиндр пішінді көміртекті нанокластерлер, олар диаметрі 1-ден бірнеше жүз нанометрге дейін жететін, ұзындығы ондаған кейде жүздеген микрон болатын ұзын түтік түрінде өседі. Көміртекті нанотүтікшелерді алғаш 1991 жылы доктор Сумио Иидзима ашқан. Бірінші ашылған түтікшелер көпқабатты болды (КҚНТ), яғни өзара әлсіз молекулааралық күшпен байланысқан графитті құрылымға ұқсас концентрленген цилиндрлер. 1993 жылы бірқабатты нанотүтікшелерді (БҚНТ) бір-бірінен тәуелсіз С.Иидзима және IBM корпорациясының зерттеушілері ашты. Бұл түтікшелердің диаметрі өте кішкентай ( шамамен 1нм ) және түзу көпқабатты нанотүтікшелерге қарағанда иілген келеді.

Мінсіз бірқабатты нанотүтікше (БҚНТ) дегеніміз ұштарында көміртек атомдары орналасқан, дұрыс алтыбұрыштан құралған, цилиндр формасына оралған жапсарсыз графитті жазықтық. Бұл түтік екі жағынан дұрыс алты бесбұрыштан тұратын жартылайсфералық қалпақшамен шектелген. Жазықтықты цилиндр формасына ораудың нәтижесі графендік жазықтықтың орналасу бұрышының нанотүтікше осьінен тәуелділігіне байланысты. Орналасу бұрышы нанотүтікшенің сипатын – хиралдығын анықтайды, ал одан түтікшенің электрондық қасиеттері тәуелді. Хиралдық, графитті жазықтықты орау нәтижесінде координат басындағы алтыбұрышпен сәйкес келетін алтыбұрыштың координаттарын көрсететін, (m,n) символдар жиынымен сипатталады. Хиралдықты сипаттаудың екінші әдісі: нанотүтікшенің бұрылу бағыты мен көршілес алтыбұрыштар ортақ бетке ие болатын бағыттың арасындағы бұрышты α анықтау. Мүмкін болатын бағыттар деп бұру кезінде гексагоналды тор өзгеріске ұшырамайтын бағыттарды қарастырамыз.Бұл бағыттарға α=0 (armchair- конфигурация) және α=30^o (zigzag- конфигурация) бұрыштары және (m,0), (2n,n) хиралдықтары сәйкес келеді. «Armchair» және «zigzag» терминдері гексагондардың орналасу ерекшеліктеріне байланысты аталған. Осындай көміртекті нанотүтікшелер 1.1.1 суретте көрсетілген.

Сурет 1.1.1 Бірқабатты нанотүтікшелердің мінсіздендірілген моделі. (а) «zigzag» типтес құрылым, (b) «armchair» типтес құрылым.

Бірқабатты нанотүтікшенің хиралдық индекстері (m,n) оның D диаметрін анықтайды. Бұл байланыс төмендегідей жазылады:

, (1)

мұндағы d₀=0.142 нм – графиттік жазықтықтағы көршілес атомдардың арақашықтығы. (m,n) хиралдық индекстерінің α бұрышпен байланысы төмендегі қатынастан көрінеді:

, (2)

Заманауи электрондық микроскоптардың хиралдығы әртүрлі нанотүтікшелерді ажыратуға қабілеті жетпейді, сондықтан аталған параметрді анықтаудың негізгі тәсілі олардың диаметрін өлшеу.

Айналық шағылысудан кейін (n,m) нанотүтікшесі (m,n) нанотүтікшеге ауысады, сондықтан жалпы түрде түтікше айналық симметриялы емес.

Практикада көптеген нанотүтікшелер жоғары симметриялы формаларға ие емес. Олар, гексагондары нанотүтікше осьінің айналасында спираль бойымен оралған, хиралдық құрылымда орналасқан. Аталған құрылымдағы төмен симметриялы нанотүтікше 1.1.2 суретте келтірілген.

Сурет 1.1.2. Хиралды нанотүтікше (0<α<30^o).

Нанотүтікшелерді металдық және жартылай өткізгіш деп ажыратады. Жартылай өткізгіш нанотүтікшелерде Ферми бетінде (поверхность) энергетикалық саңылау бар. Бүгінгі таңда нанотүтікшелердің көптеген түрлері белгілі : бірқабатты, көпқабатты және т.б. Көпқабатты көміртекті нанотүтікшелердің (КҚНТ) құрылымы мінсіз емес және синтездеу әдісіне байланысты әр алуан формаларымен ерекшеленеді. Бұл ерекшелік көлденең бағыттарда да, продольный бағыттарда да байқалады. Көлденең құрылымды көпқабатты нанотүтікшелердің мүмкін болатын түрлері 1.1.3 суретте көрсетілген.

Сурет 1.1.3. Көпқабатты көміртекті нанотүтікшелердің көлденең құрылымының моделдері. а) –«русская матрешка», b) –алтықырлы призма, с) –орам.

«Русская матрешка» типті құрылым деп отырғанымыз коаксиалды түрде біріктірілген бірқабатты цилиндрлі нанотүтікшелердің жиынтығы (сур.1.1.3а). Суреттегі екінші құрылым –коаксиалды призмалар жиынтығы (сур.1.1.3b). Ал соңғы құрылым орамды еске салады (сур.1.1.3с).

Келтірілген барлық құрылым үшін көршілес графен қабаттардың қашықтығы бірдей, шамамен 0.34 нм. Көпқабатты нанотүтікшелерді зерттеу жұмыстары көршілес қабаттар арасындағы қашықтық стандартты шама 0.34 нм-ден 0.68 нм-ге дейін өзгеретіндігін көрсетті. Бұл қандай да бір қабат болмаған кезде нанотүтікшелердің ішінде ақаудың бар екендігін көрсетеді. Көпқабатты нанотүтікшелердің айтарлықтай бөлігінің қимасы көпбұрышты болуы ықтимал, сондықтан жазық беттің бөліктері, қырлары көпқабатты нанотүтікшелердің біршама қасиеттерін анықтауы мүмкін қисық бөліктермен көршілес орналасады.