Наноматеріали і нанотехнології / Лекція_4
.pdf
Алотропія – існування одного і того ж хімічного елемента у вигляді двох і більше простих речовин, різних за будовою і властивостями - так званих алотропічних (алотропних) модифікацій або форм.
Простої речовини під назвою вуглець не існує, але він має декілька алотропних модифікацій у залежності від типу гібридизації (sp3, sp2, sp), які в свою чергу мають свої власні назви (див табл.).
Алотропні модифікації карбону у залежності від типу гібридизації
Карбон
sp3 |
sp2 |
sp |
sp3/sp2 |
алмаз (кубічний), |
графіт, |
карбін |
аморфний |
лонсдейліт (гексагональний |
графен, |
|
вуглець |
алмаз) |
фулерени, |
|
|
|
астралени, |
|
|
|
нанотрубки, |
|
|
|
нановолокна, |
|
|
|
скловуглець |
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 1. Види гібридизації електронних оболонок: а - sp3; б – sp2; в – sp
Алотропні модификації карбону
Карбін
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фулерен |
Алмаз |
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Графіт
Лонсдейліт |
|
|
Графен |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Причини аллотропії вуглецю:
Найменший атом в групі.
Атом з найвищою валентністю серед елементів свого періоду.
Велика електронна щільність на валентних орбіталях.
Міцні хімічні зв'язки.
Вуглець в природі:
Зустрічається у вільному стані у вигляді алмазу, графіту, аморфного вуглецю, карбін, фулерену, виявленого в шунгіт
У складі гірських порід і мінералів, бурого і кам'яного вугілля, нафти, сланців, природного газу.
Вуглець міститься в атмосферному повітрі 0,03% - 0,04%; в земній корі
0,19%
Застосування |
вуглецю |
В медицині |
Металургійна |
|
промисловість |
Виготовлення шин
Отримання
фарби
Вуглець
Виготовлення цукру |
Як адсорбент |
Вуглецеві волокна |
|
|
Алмаз
Решітка кубічного алмазу
Властивості:
Густина ρ =3,5 г/см3
Температура плавлення (Тпл. > 4000 ºС)
Висока твердість
Дуже крихкий
Лонсдейліт
Високі значення теплопровідності
Діелектрик
ВИДИ АЛМАЗІВ
Орлов
Принцеса
Гірняк
Шах
Застосування алмазних матеріалів
Технічне застосування |
Тип алмазного матеріалу |
Імпла |
|
нтація |
|||
|
|
||
Зностійкі покриття |
Алмазні або алмазоподібні плівки |
|
|
Тепловідводи |
Монокристали, полікристали, плівки |
|
|
Діоди, транзистори |
Синтетичний алмаз, епітаксійні плівки |
+ |
|
Лавинно-прольотні діоди |
Кристали ідеальної структури |
+ |
|
Детектори частинок и квантів, |
Природний і синтетичний алмаз, плівки |
+ |
|
дозиметри |
|||
|
|
||
Ультрафіолетові випромінювачі |
Монокристали і плівки |
+ |
|
Інфрачервоні випромінювачі |
Всі види алмазів |
+ |
|
Термістори |
Монокристали малих розмірів |
+ |
Крім того, до високотехнологічних областей застосування технічних алмазів відносяться: прецизійна механічна обробка з малими допусками керамічних деталей для аерокосмічної промисловості, радіаторів для електронних ланцюгів, лінз для устаткування лазерного випромінювання; полірування кремнієвих пластин і дисководів; ряд операцій в комп'ютерній промисловості. Алмази, отримані методом CVD, можна застосовувати для виготовлення дуже потужних лазерів.
Алмазні комп'ютерні чіпи більш довговічні, тому що вони можуть працювати при температурі до 1000°С, у той час як кремнієві комп'ютерні чіпи виходять з ладу
приблизно при 150°С.
гексагональний |
алмаз. Названий |
|
на |
честь |
британського |
кристалографа Кетлін Лонсдейл
(Kathleen Lonsdale).
ЛОНСДЕЙЛІТ
•Твердіше алмаза на 58%
•Ламається при тиску 152 ГПа.
•Алмази руйнуються при тиску
в97 ГПа
цей матеріал вкрай складно і дорого отримувати, але на основі лонсдейліта перспективно створювати дуже міцні
композитні |
матеріали |
(Для |
машинобудування, |
автомобілебудування, літакобудування)