Министерство образования и науки Российской Федерации
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра физики твердого тела
Курсовая работа
по дисциплине: Физическое материаловедение
Тема: Углеродные нанотрубки
Выполнил студентка ТФ-071 О.И. Рублева
Руководитель Ю.Е. Калинин
Нормконтроль Ю.Е. Калинин
Защищена Оценка
Воронеж
2009
Содержание
Задание на курсовую работу 2
1. Введение 4
2. Методы получения углеродных нанотрубок 5
2.1. Термическое распыление графита 5
2.2. Лазерное распыление графита 13
3. Структура материала 12
3.1. Однослойные нанотрубки 14
3.2. Многослойные нанотрубки 11
4. Свойства углеродных нанотрубок 11
4.1. Капиллярные эффекты 11
4.2. Удельное электрическое сопротивление 13
4.3. Эмиссионные свойства нанотрубок 14
4.4. Магнитная восприимчивость нанотрубок 15
5. Перспективы применения нанотрубок 15
6. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn (вариант 2) 18
7. Заключение 23
8. Список литературы 24
1. Введение
В 1991 году японский исследователь Иджима изучал осадок, образующийся на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Диаметр таких нитей не превышал нескольких нанометров, а длина — от десятых долей до нескольких микрон. На продольном разрезе обнаружено, что каждая нить состоит из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита. Основу такой сетки составляют шестиугольники, в вершинах углов которых расположены атомы углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, т.е. такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Как правило, верхние концы трубочек закрыты одно- или многослойными полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекул фуллерена.
Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, получили название нанотрубок. Нанотрубки образуются на поверхности катода с осью роста, направленной к аноду. Оптимизация технологии получения нанотрубок привела к тому, что выход годного продукта составляет несколько десятков процентов от массы осадка, образовавшегося на катоде.
Дальнейшее развитие технологии получения нанотрубок связано с использованием катализаторов (главным образом металлов), позволяющих получать как однослойные, так и многослойные нанотрубки с различным структурным состоянием. Первые исследования углеродных нанотрубок показали, что в них проявляются необычные эффекты. Так, нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. Реализация этого свойства нанотрубок открывает перспективу создания проводящих и сверхпроводящих нитей диаметром порядка нескольких нанометров, которые могут стать основой электронных устройств нанометрового масштаба. Электрические свойства нанотрубки определяются ее хиральностью, т.е. углом ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. В зависимости от хиральности однослойная трубка может быть, как и графит, полуметаллом, не имеющим запрещенной зоны, либо полупроводником, с шириной запрещенной зоны в пределах 0,01 — 0,7 эВ. Стыковка двух нанотрубок, имеющих различную хиральность, т.е. различные электронные характеристики, представляет собой p-n переход, размером в несколько нанометров, что может быть использовано в качестве основы электронных устройств следующего поколения.
Эксперименты показали, что нанотрубки обладают высокими эмиссионными характеристиками: плотность тока автоэлектронной эмиссии при напряжении 500 В достигает при комнатной температуре 0,1 А/см2. Здесь также открывается возможность прикладного использования нанотрубок в электронике.
Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с хорошей электропроводностью позволяет использовать их в качестве зондов в сканирующем туннельном микроскопе. Тем самым повышается разрешающая способность прибора.