Nanorurki, prezentacja cz. 2

Komentarze

Transkrypt

Nanorurki, prezentacja cz. 2
NANORURKI
Anna Kropidłowska
100 nm
1000 Ǻ
1 nm
WYMIARY „NANO”
10 Ǻ
(8x) jądro
komórki ssaka
(100x) erytrocyt
NANOCZĄSTKI
wirus Polio
Ig
fullereny
atomy
Cs Rb Na H

0.26
0.04
Co już wiemy ... ?
DIAMENT
FULEREN
C60
GRAFIT
NANORURKA
Co już wiemy ... ?
•
SWNT
– jednowarstwowe
–  15 nm
– doskonałe parametry
wytrzymałościowe
•
MWNT
– wielowarstwowe ~ 50
– WEW 1,515 nm
– ZEWN 2,530
– defekty strukturalne
Bonard et al, Appl. Phys. A 69 (1999)
Thess et. al, Science (1996)
Co już wiemy ... ?
JAK
OTRZYMAĆ
NANORURKI
?
Metoda elektrołukowa
•
•
•
•
•
•
•
stosowana do wytwarzania fullerenów
umożliwia tworzenie nanorurek (NEC)
Pręty grafitowe, zasilane prądem
i zbliżone do siebie na odległość kilku
milimetrów. Między prętami pojawia
się wyładowanie łukowe, związane
z przepływem prądu o natężeniu ok.
100A
Węgiel odparowuje w postaci gorącej
plazmy, a jego część następnie
kondensuje w postaci nanorurek
K
A
układ jest zasilany prądem stałym co w efekcie prowadzi do ruchu
kationów w polu elektrycznym łuku i osadzaniu na katodzie otrzymujemy depozyt katodowy a na ściankach fullereny.
Wewnątrz depozytu znajdują się NR, a na wierzchu osadza się sadza.
"kolumnowa” struktura depozytu, w środku znajduje się wiązka NR
He, 400mbar
ANODA
dopowana
Ni, Co …
anoda grafitowa
depozyt
ELEKTRODY
GRAFITOWE
katoda grafitowa
do pompy
DC
SWNT
MWNT
He (50 – 760 torr)
+
V: 10 – 30 V
I: 50 – 300 A
Właściwości:
•
•
•
•
-
sadza
rdzeń
z nanorurkami
Depozyt katodowy
wydajność: < 30 %wag.
 T, metaliczny kat. dodany do prętów,
sprawiają, iż powstaje niewielka ilość defektów
Ө rurki są krótkie <50m
przypadkowe rozmiary, orientacja, wielościenność
Katalizator
gaz
Ciśnienie [Torr]
 [A]
 [nm]
Fe
Ar
10-40
200
0,7-1,6
Co
He
100-500
95-105
1,2
Pt
He
600
70
1,3-1,7
Y, B
He
660
100
2,5
Wpływ parametrów procesu na nanorurki:
•
•
•
•
•
500 Torr, Hel, 100A  25% anody przemienia się w nanorurki
20 Torr, Metan, 30A  więcej nanorurek w depozycie
100 Torr, Wodór, 90A  wysoka jakość nanorurek
W prosty sposób można zmodyfikować metodę tak, aby otrzymać
nanodrut, czyli nanorurkę "napełnioną”
Modyfikacja polega tylko na dodaniu do atmosfery (np. do helu)
Fe(CO)5, co powoduje otrzymanie nanorurek wypełnionych żelazem.
Transformacja nanopłaszczyzn
transformacja
•
•
•
Dravid wysunął hipotezę, że
źródłem nanorurek w metodzie
elektrołukowej są warstwy
grafitowe, które zwijają się
spiralnie w strefie łuku.
Płaszczyzny
grafitowe
Poparciem tego są obserwacje
za pomocą elektronowej
mikroskopii transmisyjnej
Sam fakt tworzenia się w
depozycie katodowym
nanorurek jest bardzo
zagadkowy
[bardzo wysoka temperatura
(3000K), energetyczne
uprzywilejowanie fullerenów]
NR
NR ulegaja
defragmentacji
w pobliżu katody
Fragmenty NR
ulegają zetknięciu
Metoda katalityczna
•
•
•
met. opracowana na Univ. Shinshu w Nagano
opiera się na katalitycznym rozkładzie węglowodorów
gaz zawierający atomy węgla (np. CH4) pozostawiony w
kontakcie z bardzo gorącą powierzchnią metalu powoduje
budowanie się nanorurek na styku.
węglowodór
•
•
Rekombinacja do postaci nanorurek (CVD)
np. katalityczny rozkład acetylenu w temperaturze 970K pod ciśnieniem
atmosferycznym. Katalizatorem może być Fe, Ni, Cu lub Co.
Właściwości:
• Ө otrzymane nanorurki jednościenne zawierają wewnętrzne
zanieczyszczenia, które bardzo trudno usunąć
• Ө długi jest czas reakcji - rzędu 5 godzin.
Nanocząstki
metalu
Schemat CVD …
rura kwarcowa
wlot gazu
łódeczka kwarcowa
próbka
wylot gazu
Piec 720oC
C2H2
N2
Jak wyglądają NR otrzymane metodą CVD ?
Mikrofotografia TEM
Obraz dyfrakcyjny
Jeszcze o CVD …
Zalety:
fotorezyst
Si/SiO2
ekspozycja h, ē
 możliwość produkcji na duża skalę
 met. względnie korzystna finansowo
 ułożone nanorurki
 SWNT, MWNT
Si/SiO2
naparowanie
katalizatora
Si/SiO2
lift-off
Si/SiO2
wzrost CVD
Si/SiO2
Metoda laserowa
•
•
•
•
•
Schemat reaktora
prof. Smalley, Rice Univ.
Gorący gaz atomów węgla, z którego tworzą
się NR, powstają dzięki impulsom światła z
lasera
Próbka na której kondensowany jest laser
ma powierzchnię ok. 0,3 nm2
Na ogół jest to grafit impregnowany różnymi
metalami (Co, Cu, Nb)
Po sublimacji produkt kondensuje się na
kondenserze
grafit
Nd:YAG Laser
kolektor
Właściwości:
 W rezultacie otrzymujemy wyłącznie nanorurki jednościenne
 Wydajność metody jest bardzo wysoka (50-70%)
 prawdopodobnie wyprze ona metodę elektrołukową
Ө metoda wymaga potężnych, drogich laserów oraz nakładów energetycznych
Schemat PLV …
Kolektor Cu
chłodzony wodą
Piec 1200oC
Ar
Laser – puls 60 Hz
Nd:YAG
grafit
+ Ni/Co
NR rosnące
wzdłuż
nasady
kolektora
Wysokociśnieniowa konwersja CO - HiPCO
•
•
•
•
Źródłem węgla jest CO
woda
chłodząca
CO + CO  C + CO2
zachodzi rozkład
zimny CO
termiczny Fe(CO)5
w reaktorze ogrzewanym + Fe(CO)5
do 8001200oC
Proces prowadzony jest
pod dużym ciśnieniem, by
przyspieszyć wzrost NR
(~10 atm)
Właściwości:
 otrzymanie SWNT
 możliwość produkcji na dużą skale
 brak konieczności oczyszczania
piec
gorący CO
(P. Nikolaev et al.)
Wysokotemperaturowa elektroliza soli
Kroto 1996
•
W tyglu grafitowym znajduje się stopiony
chlorek litu.
•
W nim zanurzony jest pręcik grafitowy (K)
•
Całość znajduje się w T ~ 900K
•
Z zewnątrz przyłączone jest źródło
prądowe a kilku amperach.
•
W wyniku elektrolizy w tyglu otrzymuje
się fullereny i wielościenne nanorurki.
Zaskakujący fakt zrywania w temperaturze
900K wiązań węglowe w płaszczyznach
grafitowych (t.t grafitu > 3500K)
Schemat reaktora
K
LiCl
Piec elektryczny
•
A
rura
kwarcowa
Oczyszczanie
Obecne zanieczyszczenia:
• cząsteczki katalizatorów
traktowanie kwasami (+ultradźw)
oksydacja termiczna
separacja magnetyczna (Fe)
• klastery węglowe
wygrzewanie
oksydacja termiczna
• fulereny: C60/C70
PRZED
NR otrzymane
technika elektrołukową
mikrofiltracja
ekstrakcja z CS2
PO
Ebbsen et al.
WŁAŚCIWOŚCI
NANORUREK
Sięganie
do
granic…
parametr
SWNT
porównanie
rozmiar
 0,61,8 nm
Ścieżki w fotolitografii ē o
szer.50 nm i grub.kilku nm
gęstość
1,331,40 g/cm3
Al=2,7 g/cm3
wytrzymałość
na rozciąganie
45 GP
Odporne gatunki stali
pękają przy ok. 2 GP
odporność na
zginanie
Zginanie pod  prostowanie bez uszkodzenia
Metale i włókna węglowe
pękają na granicach ziaren
obciążalność
prądem elekt.
~1 GA/cm2
Drut miedziany 1 MA/cm2
emisja polowa
Pobudzenie luminoforu w
odl.1m, U=13 V
Ostrza Mo wymagają pola o
natęż. 50 100 V/m
przewodność
cieplna
RT - sięga 6000 W/mK
Diament  3320 W/mK
odporność na
temperaturę
Stabilne do 2800oC w
próżni i 750 oC
Ścieżki w układach
scalonych 600 1000oC
cena
1000 US$/g–czyste SWNT
300 US$/g - inne
Złoto – 12,6 US$/g
Własności elektronowe
•
własności elektryczne nanorurek ściśle zależą od ich skrętności.
METAL
PÓŁPRZEWODNIK
elektrony mogą swobodnie
pasmo walencyjne
poruszać się po całym
i pasmo przewodnictwa
przewodniku bez koniecznościoddzielone są od siebie
dostarczania energii.
pasmem zabronionym
PÓŁMETAL
tylko niewielka część ē
ma dostęp do pasma
przewodnictwa
Własności elektronowe
NR mogą zachowywać się zarówno jak metale jak i półprzewodniki.
PROSTE NANORURKI
2/3
1/3
•
Geometria pozwala ē
przyjmować stany tylko w
niektórych fr. pasm energet.
grafitu
Punkt Fermiego (brama dla ē)
2/3 nanorurek o skrętności
fotelowej wykazuje właściwości
podobne do metali.
•
•
1/3
SKRĘCONE NANORURKI
•
•
Pasy, na których układaj się
stany energet. ē biegną na ukos
2/3 NR o konfiguracji
zygzakowatej i chiralnej
wykazuje właściwości takie, jak
półprzewodniki.
2/3
Własności elektronowe
•
•
•
Na szerokość przerwy
energetycznej oprócz skrętności
wpływa również średnica NR
Dla nanorurek o najmniejszej
średnicy zbiór dozwolonych
stanów energetycznych jest
niewielki.
Wraz ze wzrostem średnicy rośnie
liczba dozwolonych stanów, a
odległości pomiędzy nimi maleją.
Zastosowania:
•
Stąd nanorurki mogą mieć w
przyszłości bardzo wiele
zastosowań w konstrukcji całej
gamy przyrządów
półprzewodnikowych.
URZĄDZENIA
ELEKTRONICZNE
metal
półprzewodnik
Współczesne trendy w miniaturyzacji
Urządzenia
molekularne
Mniejsza skala w technologii
półprzewodników
Mniejsze i szybsze urządzenia
konwencjonalne
hybrydowe
- Ultra małe MOSFET
- Urządzenia bazujące na zj. interferencji
- SET
nowe
- Nanorurki węglowe
- Diody molekularne
- DNA?
Źródła światła i wyświetlacze
•
Zastosowanie nanorurek jako źródeł
światła jest związane ze zjawiskiem
emisji polowej
•
Jeżeli uporządkowaną strukturę
nanorurkową (kilka tysięcy
pojedynczych NR) umieści się w polu
elektrycznym
(różnica potencjału rzędu 100V)
zaczynają one emitować elektrony
(emisja polowa)
Jeśli taki strumień elektronów
odpowiednio skieruje się na ekran
luminoforowy to otrzymuje się obraz
•
•
Nanorurki mają małą pracę wyjścia ē
(E jakiej trzeba dostarczyć do ich
uwolnienia) - od 1,22 eV (przy
temperaturze 400800 K), dzięki
czemu emisja polowa jest tu bardzo
efektywna (~kilku A/cm2)
Zastosowanie komercyjne
Pierwsze prototypowe przyrządy tego typu
(otrzymane za ich pomocą obrazy)
Porównanie technologii TV*
*Skala: 1  10;
1—pnajgorszy 10—najlepszy
Rozdzielczość Rozmiar Integracja
Trwałość
Cena
 ocena
CRT
7
1
2
8
10
28
plazma
7
10
10
3
3
33
LCD
6
10
10
3
5
34
FED
6
10
10
5
5
36
NT
10
10
10
10
3
46
Nano-tube Flat Panel Display
płyta szklana
teksturowany P
CNT/
teksturowany
metal
2,4 mm
200 m
łącznik
(Choi et al.)
Nanorurki w elektronice
•
Elektronika jest dziedziną, która wiąże z
nanorurkami największe nadzieje.
• NR mogą być przewodnikami bądź
półprzewodnikami (przerwa
energetyczna jest zależna od ),
 potencjalne zastosowania:
* jako heterozłącza metal-półprzewodnik
* nanodruty kwantowe.
Ө konieczność możliwości kontroli nad
wzrostem nanorurek
Fuhrer et al, Science (2000)
DIODY
•
•
•
Złącza pomiędzy NR metalicznymi i półprzewodzącymi zachowują się
jak diody
Pozwalają na przepływ prądu tylko w jednym kierunku
Teoretycznie złącza pomiędzy NR o różnych przerwach energet.
powinny działać jak diody elektroluminescencyjne, a nawet jak
nanolasery
Tranzystor polowy (FET =Field Effect Transistor)
•
Naukowcom z laboratorium IBM udało
się stworzyć tranzystor, którego
komponentem jest nanorurka
•
Pełni ona rolę kanału, wewnątrz
którego przepływ elektronów jest
sterowany napięciem przyłożonym
na bramkę
 tranzystor taki pracuje w RT
 parametry zbliżone do osiąganych
w tradycyjnych elementach
krzemowych
 zużywa mnie energii.
Przewiduje się, że przełącznik o takich
rozmiarach mógłby współpracować z
zegarem o częstotliwości 1 THz
NR
ŹRÓDŁO (Au)
Dren (Au)
SiO2
BRAMA Si
FET
s
d
TubeFET
(McEuen et al., Berkeley)
Nanotube Logic
(Avouris et al., IBM)
250 nm
PMMA
1 m
brama
SiO2
-V
Vout
CNTFET
Vin
+V
Ilość prądu ISD przepływająca przez
kanał NR może być zmieniana
poprzez zmianę VG
50
30
80
20
60
40
ISD [nA]
ISD [nA]
40
10
0
0
-4
0
4
-10
8
-5
0
5
VG [V]
80
60
40
20
0
-20
ISD [nA]
Wpływ temperatury
– W RT zachowanie typu FET
– W 4K zachwoanie typu SET
ISD [nA]
VGATE [V]
•
20
-15
-10
-5
0 VG [V]
80
60
40
20
0
-20
-14
-10
VG [V]
Komunikacja bezprzewodowa
•
Emisja elektronów przy stosunkowo
niskim napięciu
•
Próby generowania mikrofal na drodze
emisji polowej z nanorurek w celu
zastosowania w telekomunikacji
bezprzewodowej
•
•
Telefony wysyłają słabe sygnały do
lokalnych stacji bazowych, w których są
one wzmacniane
Z racji dużej stabilności NR możliwe
byłoby zmniejszenie rozmiarów stacji
bazowych, jak i wydłużenie czasu ich
pracy
Tranzystor jednoelektronowy
(SET = Single Electron Transistor)
•
•
Politechnika w Delft (Holandia)
Tranzystor, którego główną cechą jest to,
że można za jego pomocą sterować
przepływem pojedynczych elektronów.
•
Jest to specyficznie wygięta nanorurka
(odległość pomiędzy wygięciami ok.
20nm)
Takie ułożenie zapewnia, że w
środkowym obszarze siły
elektrostatyczne wiążą elektrony i
dopiero przyłożone napięcie może
spowodować ich dalszy przepływ, przy
czym można je przepuszczać pojedynczo.
•
Właściwości:
 działa w temperaturze pokojowej
 bardzo prosta budowa
SET
Cees Dekker, Delft University
Manipulacje nanorurkami
Konieczność zmiany:
- położenia NR
 AFM – mikroskopia sił atomowych
- kształtu
- orientacji
- możliwość cięcia NR
•
Tryb niekontaktowy w celu otrzymania obrazu
NR poprzez skanowanie końcówką AFM
•
Opuszczenie ostrza AFM, które jest używanie
jak malutki pług spychający NR
•
Z racji silnych oddziaływań pomiędzy NR a
powierzchnią poprzez oddz. van der Waals’a,
zgięta NR pozostaje tak, jak została
umieszczona i zachowuje swój kształt.
Jeszcze o manipulacjach nanorurkami
Przykład manipulacji NR:
głowica AFM użyta do stworzenia
greckiej litery „theta” z nanorurki
o długości 2,5 mikrona
Nie tylko manipulacje…
Końcówki SPM
Scanning Probe Microscope
Końcówki AFM
J. Hafner et al, Nature 398, 761 (1999)
 duża smukłość
 odpowiednie zakończenie
 odporność
Macierz z nanodrutów
Nanodruty spełniają podwójną role:
• sa przewodami
• elementami aktywnymi
styk wyłączony
styk włączony
elektroda
wspornik
Każde złącze to miniaturowy
przekaźnik elektromechaniczny,
który jest:
• włączony (druty stykają się)
• wyłączony (druty rozseparowane)
• Aby zmienić stan przełącznika trzeba
doprowadzić do drutów napięcie
•
•
NR
izolator
Krzyżujące się półprzewodnikowe nanodruty można również
wykorzystać do budowy wyłączników sterowanych elektrycznie,
których działanie nie wymaga ruchu.
Mogą posłużyć jako elementy pamięciowe i macierze logiczne
NIE TYLKO ELEKTRONIKA …
… CZYLI INNE ZASTOSOWANIA
Ach, ta energia …
Biomasa
Woda
Wiatr
Słońce
Transport
WYSOKA EFEKTYWNOŚĆ
I NIEZAWODNOŚĆ
.
Jądrowa
Oleje
magazynowanie
SZKODLIWE EMISJE ~ O
Węgiel
Gaz
naturalny
•
•
•
powszechnie występujące
„czyste”
efektywne
Magazynowanie energii
H2
tankowanie
•
Próby eksperymentalne i modelowe
• elektrochemiczne magazynowanie litu
• elektrochemiczne magaznowanie
wodoru
• interkalacja wodoru
• superkondensatory
Magazynowanie wodoru dla ruchomych ogniw paliwowych
Wymagania:
• > 6.5 %
• 62 kg / m3
• ~RT
• ~kilka bar
Baterie
• Jedną elektrodę w litowej baterii jonowej
stanowi porowaty węgiel, w który
interkaluje Li+
• Próby zastosowania nanorurek
Ogniwo 3-elektrodowe
Elektroda robocza
CNT + x H2O + x ē
redukcja
CNT + x H+ + x OH-
utlenianie

 NiOOH  H +  eNi  OH 2 

reduction
oxidation
A
V
6 M KOH
Ni(OH)2
NiOOH
 0,4 – 2,3 %wag. H
CNT
e. odniesienia przeciwelektroda
Hg/HgO/OH-
Interkalacja wodoru
• Bardzo duże różnice w otrzymanych wynikach przez poszczególne
grupy badawcze 0-67 %
Węglowy termometr
•
•
Jednowymiarowa kolumna galu w
CNT
 zakres płynności (30 2403 °C)
Wysokość (H) ciekłego galu
zmienia się liniowo z temperaturą (T)
– Współczynnik rozszerzalności
jak w skali makro
– Menisk Ga  do wewnętrznej
powierzchni CNT
• Łatwość „odczytu”
400
H [nm]
•
300
200
100
0
0
100
200
300 400
500
T [oC]
Gwiezdne windy
• Ultramocne liny
uformowane z nanorurek
węglowych
• „Kosmiczna winda”
mogłaby zapewnić
niedrogi dostęp do orbity
T. Ferris, NY Times Magazine (1999)
Nano-maszyny …
„Jedyna gałąź przemysłu,
którą zrewolucjonizowały fullereny
to produkcja …
… prac naukowych.”
The Economist
„Nanorurki stanowią wspaniałe poletko
doświadczalne pozwalające zrozumieć
właściwości elektryczne w najmniejszej skali.
Pewnego dnia, w ten czy w inny sposób – dzięki
nanorurkom, krzemowi lub tzw. elektronice
molekularnej – dojdziemy do nanoświata”
Avouris
Literatura
[1] Collins P.S., Avouris P., Sci. Am., 62, 2000
[2] Pichler T., M.Knupfer,Fink J., Smalley R.E., Phys. Rev. Lett. 80,4729, 1998
[3] Dai H., et al., Chemical Physical Letters 260 1996
[4] Franklin N.R., et al., Advanced Materials, 12, 2000
[5] Journet C., et al., Nature 388, 1997
[6] Nikolaev P., et al., Chemical Physics Letters, 313, 1999
[7] Scott C.D., et al., Applied Physics A 72 2001
[8] Kong J., et al., Science, 287, 622, 2000
[9] Choi et al., Appl. Phys. Lett., 75, 1999
[10] Iijima S., Nature, 354, 56,1991
[11] Vigolo et. al., Science, 290, 1331, 2000)
[12] Martel R., et al., Applied Physics Letters, 73, 2447-2249
1.
2.
3.
4.
5.
6.
http://www.photon.t.utokyo.ac.jp/~maruyama/nanotube.html
http://jcrystal.com/steffenweber/JAVA/jnano/jnano.html
http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nasa/
http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.htm
http://www.itp.ucsb.edu
http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.htm

Podobne dokumenty

The Orthos Letter nr 3 - Koło naukowe

The Orthos Letter nr 3 - Koło naukowe Heinricha Rohera mikroskopu tunelowego, za pomocą którego można nie tylko dostrzec atomy, ale także przesuwać je wykorzystując siły elektryczne i magnetyczne. W 1989 r. D. Eigler z firmy IBM układa...

Bardziej szczegółowo