docNanorurki, prezentacja cz. 2
download 
Reklamacja 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 – 15 nm – doskonałe parametry wytrzymałościowe • MWNT – wielowarstwowe ~ 50 – WEW 1,515 nm – ZEWN 2,530 – 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 <50m 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 8001200oC 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 0,61,8 nm Ścieżki w fotolitografii ē o szer.50 nm i grub.kilku nm gęstość 1,331,40 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.1m, U=13 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 1,22 eV (przy temperaturze 400800 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
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...
