Наноматеріали і нанотехнології / Лекція_5
.pdf
Нанотрубки
Дисципліна «Наноматріали і нанотехнології в приладобудуванні»
Історія відкриття
1985 р. Г. Крото, Р. Смоллі відкрили фулерени
1991 р. С. Ііджима використовуючи електронний просвічуючий мікроскоп із високою роздільною здатністю відкрив нові вуглецеві наноструктури, які були порожні в середині, такі утворення отримали назву багатошарові вуглецевих трубок (БВНТ). У
1993 р. дві наукові групи на чолі із С. Іїджимою і Д. Бетюном паралельно отримали дношарові (одностінні) вуглецеві нанотрубки (ОВНТ).
2
ОВНТ – це безшовні циліндри графену, що закінчуються фулереноподібною
півсферою.
Діаметр і довжина ВНТ коливаються в межах 0,3 5 нм та 1 500 мкм відповідно
Схематичне формування закритої нанотрубки
а б В Схематичне зображення ОВНТ типу крісло (12, 12) (а),
зигзаг (18, 0) (б) та хіральні (20, 3) (в)
зигзагоподібні (Θ = 0°, Ch = (n, 0));
кріслоподібні (armchair) (Θ = 30°, Ch = (n, n));
хіральні (0 < Θ < 30°, Ch = (n, m)).
3
Можливі індекси, вектори та кути хіральності ОВНТ.
4
Багатошарові вуглецеві нанотрубки (БВНТ) як правило, складаються з одношарових нанотрубок діаметром, що поступово зростає, розміщених у вигляді концентричних циліндрів, та містять у собі від декількох до десятків ОВНТ, уставлених коаксіально одна в одну.
а |
б |
в |
Поперечний переріз БВНТ: а – матрьошка; |
б – шестикутна призма; в – згорток |
|
5
Порівняння механічних властивостей ОВНТ та БВНТ
|
|
Межа міцності |
Відносне |
|
|
|
|||
|
Модуль |
подовження |
||
Матеріал |
при розтягуван- |
|||
Юга, ТПа |
при розри- |
|||
|
ні, ГПа |
|||
|
|
ві, % |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОВНТ E |
1 5 |
13 53 |
16 |
|
|
|
|
|
|
Крісло |
0,94 |
126,2 |
23,1 |
|
ОВНТ T |
||||
|
|
|
|
|
Зигзаг |
0,94 |
94,5 |
15,6 17,5 |
|
ОВНТ T |
||||
|
|
|
|
|
БВНТ E |
0,2 0,8 0,95 |
11 63 150 |
|
|
|
|
|
|
|
Нержавіюча |
0,186 0,214 |
0,38 1,55 |
15 50 |
|
сталь E |
||||
|
|
|
|
|
Кевлар* |
0,06 0,18 |
3,6 3,8 |
~ 2 |
|
|
|
|
|
Примітка: E Експериментальні спостереження. T Теоретичні дані. * Кевлар
– синтетичне волокно, що має високу міцність (у п’ять разів міцніше сталі, межа міцності σ0 = 3620 МПа)
6
Функціоналізовані нанотрубки: 1 інорідні атоми в пучку нанотрубок; 2 інкапсулювання частинок усередину ВНТ (піпод – фулерени в нанотрубці); 3, 4ковалентна (3) та нековалентна (4) функціоналізація трубок; 5 атомно-
модифіковані нанотрубки (ВНТ модифікована атомами фтору) |
7 |
Механізм росту, розділення та очищення нанотрубок
Fe, Co та Ni –
перехідні метали, що найчастіше використовуються як каталізатор
|
Останнім часом |
ряд |
||||
|
металів |
каталізаторів |
||||
Процес формування нанотрубки на каталітичній частинці |
значно |
розширився – |
||||
Au, |
Cu |
, |
Ag, Pd, Pt, |
|||
|
||||||
|
Mn, Mo, Cr, Sn, Mg, |
|||||
|
Al, |
Si, |
SiC, |
Ge, |
||
|
Al2O3, наночастинки |
|||||
|
алмазу |
|
|
|||
8
Очищення та розділення нанотрубок можна
поділити на декілька етапів:
відділення ВНТ від металевих наночастинок каталізатору та оксидів;
розділення пучків нанотрубок на окремі
об’єкти;
видалення вуглецевих компонентів
продуктів синтезу;
розділення нанотрубок за розмірами.
9
Властивості нанотрубок та їх застосування
Зміна типу провідності нанотрубки внаслідок її деформації шляхом впровадження в графітову сітку п’яти- і семикутника
витік стік
нанотрубка
Si затвор |
|
Схематичне зображення польового транзистора на основі нанотрубки, з |
|
різним положенням затвору (а, б): 1 – підкладка (Si); 2 – ізолюючий шар; |
|
3 – керуючий затвор; 4 – стік; 5 – нанотрубка; 6 – витік |
10 |