nano_1_97_4_lec

Графен можна використовувати, як детектор молекул (NO2), що дозволяє вимірювати прихід і відхід одиничних молекул. Матеріал дозволяє розв'язати проблему формування забороненої зони , його будуть використовувати як напі-

впровідниковий матеріал, що замінить кремній в інтегральних мікросхемах.

Магнітний графен

Магнітний графен. дослідникам з Інституту нанотехнологій IMDEA і

двох мадридських університетів, університету Autonoma і Complutense, вдалося надати графену магнітні властивості. Цього досягли без впровадження сторон-

ніх атомів в структуру матеріалу, а завдяки створенню гібридної складної пове-

рхні, на якій графен починає демонструвати магнітні властивості.

Це надає графену — матеріалу, що володіє багатьма унікальними власти-

востями, такими як висока електрична провідність, механічна міцність і деякі оптичні властивості, ще однієї фундаментальної властивості — властивості ма-

гнетизму. Нова властивість відкриває графену шлях в область спінтронних при-

строїв, які використовують для передачі, зберігання і обробки інформації не тільки величину електричну заряду, але напрямок обертання електронів (їх спі-

ну). Для того, щоб матеріал набув магнітні властивості потрібно, щоб спіни всіх або більшої частини його електронів мали одне і те саме значення. І саме тільки магнітні матеріали можуть використовуватися для створення спінтронних при-

строїв. Оскільки напрямок обертання електронів може приймати безліч фіксо-

ваних значень, його використання дозволяє додати ще мінімум два логічних стану до елементарної одиниці логічних даних, біту. Завдяки цьому значно збі-

льшуються швидкість обробки інформації та даних, які зберігаються на спінт-

ронних пристроях. Новий винахід може знайти застосування в таких областях,

як телекомунікації, обчислення, енергетика і медицина.

Для того, щоб "намагнітити" графен, іспанські дослідники поєднали в ра-

мках одного пристрою нанотехнології та принципи квантової механіки. Дослід-

ники використовували графен високої чистоти, кристалічна ґратка якого не має дефектів. Поверхня графену була покрита плівкою рутенію. У камері з глибо-

ким вакуумом напиленням на поверхню графену були нанесені молекули напі-

131

ворганічної сполук TCNQ (tetracyano-p-quinodimethane). TCNQ — сполука, яка за наднизьких температур та певних інших умова демонструє яскраво виражені напівпровідникові властивості (рис. 83).

Рисунок 83. — Схеми обробки графену для надання йому магнітних властивос-

тей: а – напилення молекул TCNQ на поверхню композиту графен-рутеній;

б – будова магнітного графену

Дослідження поверхні графену за допомогою сканувального тунельного мікроскопу виявили, що органічні молекули TCNQ самостійно розподілилися рівномірно і у певному порядку на поверхні графену. На думку вчених це ста-

лося завдяки електронним взаємодіям молекул з поверхнею графену-рутенію.

Дослідження показали, що молекули TCNQ не взаємодіють безпосередньо з графеном, але їх наявність є фактором, який впорядковує спіни електронів, які рухаються через графеновий шар. Ці молекули, що беруть участь у перенесенні електричного заряду, слугують чимось на кшталт "вирівнювача" спіна — всі електрони, які проходять через них, на виході мають строго певний спін, що надає графену досить високі магнітні властивості. Спінтронні пристрої, у яких використовують магнітний графен у майбутньому прийдуть на зміну традицій-

ним електронних приладам.

132

Графин

Графин — новий матеріал. Від моменту відкриття графену, цього надзви-

чайно міцного матеріалу, що володіє чудовою електропровідністю, багато екс-

пертів пророкували йому велике майбутнє в галузі фізики і виготовлення різних електронних пристроїв. Але результати комп'ютерного моделювання, проведе-

ного міжнародною групою вчених, показують, що матеріал, званий графин

(graphyne), повинен володіти вже зовсім екзотичними електричними властивос-

тями, які зроблять цей матеріал більш цікавим для електроніки, ніж графен.

Подібно графену, графин так само складається з атомів вуглецю, з'єдна-

них в кристалічну ґратку завтовшки в один атом. Відмінність між цими двома матеріалами полягає у тому, що кристалічна ґратка графина містить крім по-

двійних міжатомних зв'язків ще й потрійні зв'язки (рис. 79). Тому кристалічна ґратка графина має більш складну форму, ніж проста гексагональна ґратка гра-

фену, що надаватиме виняткових хімічних, фізичних і електричних властивос-

тей. Будова графину складається з двох типів шестикутників, правильного зі стороною 1, і неправильного зі сторонами 1 та 3.

Рисунок 79. — Схема будови графину-6,6,12

Комп'ютерні моделі графина (6,6,12-graphyne), складені групою вчених-

хіміків з університету Ерланген-Нюрнберг (University of Erlangen-Nuremberg) в

Німеччині, показують, що за рахунок існування потрійних зв'язків електрони можуть пересуватися у кристалічній ґратці графина, швидше, ніж в графені, і

зустрічати на своєму шляху менше опору. Це означає, що графин буде володіти ще більшою електропровідністю. Крім цього, за рахунок наявності в специфіч-

133

ній кристалічній ґратці графина-6,6,12 елементів, званих конусами Дірака, він здатен проводити електричний струм тільки в одному напрямку. Саме ця влас-

тивість дозволить дослідникам створювати на основі графина високоефективні напівпровідникові елементи, такі як діоди і транзистори, які володітимуть чу-

довими високочастотними характеристиками.

Не розв'язаною залишається тільки одна ―невелика‖ проблема — для по-

дальших практичних досліджень у напрямку вивчення графина і його властиво-

стей необхідно отримати певну кількість цього екзотичного матеріалу. Незва-

жаючи на те, що перші роботи в цьому напрямку почали проводити ще у 1980-х

років, вченим вдавалося отримувати лише невеликі кількості цього матеріалу,

який, до того ж, не був необхідною формою графину-6,6,12

Графин вважають дуже перспективним матеріалом. Припускають, що в майбутньому він зможе зіграти більш важливу роль, ніж графен, у розвитку електроніки, деяких областей науки і техніки.

Нановолокна

Нановолокна (англ. nanofiber) — об'єкт, два характеристичних розміри Lx

та L y якого відповідають нанодіапазону (приблизно 1 – 100 нм) і є суттєво меншими від третього Lz (рис. 71). Як правило Lx Ly , а третій розмір може бу-

ти значно більшим від двох попередніх і за своєю величиною виходити за межі нанодіапазону: Lz Lx , Ly .

Відповідно до визначення Міжнародної організації з стандартизації ISO,

співвідношення Lx Ly не повинно перевищувати 3:1. До того ж нанооб'єкти,

співвідношення характеристичних розмірів яких Lx Ly 2 , частіше називають нанострічками. До класу нановолокон часто зараховують також такі нанооб'єк-

ти, як нанотрубки, нанодроти, нановіскери та нанострижні. Нановолокна мо-

жуть бути жорсткими (нанострижні) або гнучкими, які проводять або не прово-

дять електричний струм. Найчастіше їх використовують у медицині та як напівпровідники.

134

Рисунок 71 — Нановолокна: а – напівпровідникові системи PbxV2O5; б – схема будови нановолокна з альфа-біспіральних білків; в – вуглецеве; г – алмазне; д – біоволокно для відновлення травматичного пошкодження спинного мозку (праворуч — схема будови каркасу); е – з оксогідроксиду алюмінію (для очищення стічної води); ж – полімерні; з – ґраткова структура, утворена волокнами

Надвисокоміцні нановолокна

Надвисокоміцні нановолокна. Дослідники з університету Небраски-

Лінкольн (University of Nebraska-Lincoln, UNL) розробила технологію виробни-

цтва нового типу нановолокон, які володіють набором унікальних властивостей

— одночасно високими механічною міцністю і жорсткістю, властивостями, які

раніше вважалися несумісними (рис. 75). Міцність визначає, яку максимальну

навантаження може витримувати цей матеріал, а від його жорсткості залежить

робота, яку потрібно виконати для його руйнування. Раніше вважалося, що за

розробки нових матеріалів, особливо наноматеріалів, потрібно пожертвувати

одним показником на користь іншого та навпаки, але дослідникам з UNL вдало-

ся спростувати цю усталену думку.

135

Рисунок 75. — Нановолокна надвисокої конструкційної міцності

Використовуючи в процесі виробництва розчинник особливого складу в кількостях, більших, ніж його застосовували будь-коли раніше, дослідниками вдалося надати новому наноматеріалу високу міцність одночасно з високою жорсткістю. Дослідники виготовили поліакрилонітрилові нановолокна, викори-

стовуючи технологію, звану електропрядінням (electrospinning). Вони прикла-

дали високу електричну напругу до синтетичного полімеру, розчиненому в ак-

риловому розчиннику. Розчин видавлювали крізь отвір дуже малого діаметру,

формуючи у такий спосіб дуже довге, практично безперервне нановолокно. Мі-

цність цього нановолокна забезпечує його мала товщина, а жорсткість — особ-

лива кристалічна структура полімеру, що виникала за дії високої напруги, яку прикладали в момент полімеризації матеріалу.

Такі нановолокна можна успішно використовувати для створення нових композиційних матеріалів, що володіють малою питомою густиною, високою механічною міцністю і стійкістю до зовнішніх впливів. Ці нові матеріали в майбутньому зможуть замінити пластики, армовані вуглецевим волокном в ав-

томобілебудуванні, авіабудуванні, і стати конструкційними матеріалами для виготовлення різних конструкцій, зокрема таких, як мости та естакади. У війсь-

ковій справі, а саме для неї і створювали новий нановолоконний матеріал, він може бути використаний для виготовлення легших та з більш високим рівнем захисту бронежилетів і покриттів для військової техніки, які ефективно погли-

нають і розсіюють енергію, що важливо для протидії різним засобам ураження.

Новий матеріал буде мати застосування передусім у військовій справі, адже ро-

боти проводилися завдяки фінансуванню Науково-дослідним управлінням ВПС США (Air Force Office of Scientific Research), Армійського управління універси-

тетських дослідницьких ініціатив (US Army Research Office Multidisciplinary University Research Intiative) і Американського наукового фонду.

Надміцні вуглецеві волокна з покриттям вуглецевими нанотрубками

136

Надміцні вуглецеві волокна з покриттям вуглецевими нанотрубками — композиційні матеріали на основі вуглепластика (рис. 70) знаходять широке за-

стосування для зниження маси різноманітних виробів. Такі композити за пито-

мою міцністю перевершують сплави на основі титану та алюмінію. Як приклад

— використання вуглепластика дозволило знизити вагу літаків Boeing 787 та

Airbus A380 на 20 %.

Рисунок 70 — Нанодроти на графені самі будують структуру

Інженери з Університету штату Іллінойс вирощували на листі графену напівпровідникові сполуки з нанодротів і виявили, що нанодроти ростуть зо-

всім незвично. Це відкриття дуже важливе для електронної промисловості; воно змінює основи технології епітаксії. Експерти вважають, що саме нанодроти стануть основним матеріалом електроніки майбутнього. Їх будуть широко за-

стосовувати для виготовлення транзисторів, сонячних панелей, лазерів, різно-

манітних здавачів тощо Американські учені досліджували можливості створення нанопроводів,

вирощуючи їх за допомогою технології ван-дер-Ваальсової епітаксії на плоскій підкладці з напівпровідникових матеріалів, таких як Силіцій. Зокрема вони ви-

рощували дроти так званого класу III-V (три-п'ять). Такі напівпровідники дуже потрібні для створення сонячних панелей та лазерів нового покоління.

Нещодавно дослідники з Університету штату Іллінойс спробували вирос-

тити нанодроти з індій арсеніду галію (InGaAs) на листі графену і виявили не-

сподіваний результат. Нанодроти з InGaAs самостійно сформувалися в незвич-

ну структуру, в якій серцевина складається з одного матеріалу, арсеніду індію,

а зовнішня оболонка з другого — InGaAs. Важливо також, що структуру нанод-

137

ротів можна регулювати, змінюючи співвідношення між індієм та галієм, що дозволяє керувати оптичними та струмопровідними властивостями нанодротів.

Вирощування композитних нанодротів на графеновій підкладці є важли-

вим досягненням. Сам графен має численні переваги перед силіцієм. Зокрема,

графен гнучкий дуже добре проводить струм, до того ж сировину для графену

(Карбону) можна брати прямо з повітря. В наш час приблизно 80 % вартості сонячної комірки складає вартість кремнієвої підкладки.

138

Лекція 17

Новітні досягнення у наноматеріалознавства: гібридний наноматеріал з вугле-

цевих нанотрубок і графену; нанокристали; пластикова наноплівка; ракетне па-

ливо; нанопил; матеріали з водовідштовхувальною наноповерхнею; наноферо-

магнітні рідини; силіцен.

Гібридний наноматеріал з вуглецевих нанотрубок і графену

Гібридний наноматеріал з вуглецевих нанотрубок і графену — новий ма-

теріал являє собою щось на кшталт гібриду графену і вуглецевих нанотрубок

(рис. 77). У перспективі такий матеріал є найкращим для виготовлення елект-

родів електронних приладів, суперконденсаторів та інших пристроїв акумулю-

вання електричної енергії. Із застосуванням спеціальних технологічних прийо-

мів на поверхні графенової плівки були вирощені цілісні вуглецеві нанотрубки,

заввишки до 120 мікронів. Для того, щоб наочно продемонструвати цей масш-

таб, можна навести такий приклад — будівля, що має таке ж співвідношення висоти до площі основи, пішло б з поверхні Землі далеко в космічний простір.

Рисунок 77. — Схема будови матеріалу, що складається з нанотрубок на поверхні графену

У новому наноматеріалі реалізована комбінація графену — плоского лис-

та вуглецю завтовшки в один атом, і вуглецевих нанотрубок, які складаються з атомів вуглецю, що утворюють щось на кшталт труби зі стінкою так само за-

втовшки в один атом. Важливо, що перехід від структури графена до структури нанотрубки зроблений без будь-якого порушення кристалічної ґратки вуглецю,

139

всі зв'язки є ковалентними, тобто сусідні атоми вуглецю з'єднані максимально міцними і стійкими зв'язками. Вуглецеві нанотрубки не просто вбудовані в ар-

куш графену, вони є його частиною (рис. 78).

Рисунок 78. — Структура наноконтакту нанотрубки на поверхні графену Багато дослідників намагалися встановити вуглецеві нанотрубки на мета-

левому електроді, але нікому не вдалося зробити це досить добре. У всіх випад-

ках, у місці контакту нанотрубок і металу утворювався електронний бар'єр,

який обумовлював прояв напівпровідникового переходу і високу омічний опір переходу. Дослідникам вдалося виростити спочатку шар графену на мідній ос-

нові, а потім на цьому графені був вирощений "ліс" вуглецевих нанотрубок

(див. рис. 78). У цьому випадку між мідним провідником і вуглецевими нанот-

рубками залишався лише невелике омічний опір, який майже не перешкоджає руху електронів. Такий матеріал має дуже великий показник ефективної площі

— понад 2000 квадратних метрів на один грам матеріалу.

Графен і вуглецеві нанотрубки є формами вуглецю, що мають дуже висо-

ку електричну провідність, які поєднується з високою міцністю та іншими ха-

рактеристиками матеріалу. Об'єднання цих двох матеріалів має величезний по-

тенціал для створення швидкодіючих суперконденсаторів, здатних тримати значний електричний заряд в малому об'ємі матеріалу.

Дослідники використовували сканувальний тунельний мікроскоп

(Scanning Tunneling Microscope, STM) як робочий інструмент для пересування і

140