Перспективные сферы применения нанотрубок

Широкое применение в материаловедении при капсулировании внутрь нанотрубок сверхпроводящих кристаллов; пористый материал в фильтрах; несущая подложка для осуществления гетерогенного катализа; электроды для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью; покрытие, способствующее образованию алмазной пленки; основа будущих элементов микроэлектроники; гетеропереход металл-полупроводник – основа полупроводникового элемента рекордно малых размеров; основа тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем; использование нанотрубки при заполнении ее различными материалами.

Применение в наноробототехнике

Для наноробототехники наиболее важными характеристиками УНТ являются их наноразмер, высокая анизотропия геометрических размеров, , высокая гибкость, сверхмалое межслоевое трение, возможность разных типов проводимости, высокие значения полевой эмиссии, теплопроводности и максимальной плотности тока, чувствительность проводимости к различным физико-химическим изменениям, зависимость длин связей от заряда. В наноробототехнике УНТ можно применять в качестве структурных элементов, инструментов, сенсоров и актюаторов. Из одиночных многостенных нанотрубок можно формировать более сложные структуры либо методами «снизу-вверх» (bottom-up), либо – «сверху-вниз» (top-down) (рис.1.).

Рис.1. Строительные блоки на основе УНТ. Из одиночной МСНТ (а) можно создать сложные структуры: (b-d) соединением УНТ друг с другом, (e) заполнением, (f) модифицированием, (g-i) воздействием на слои.

Одиночная УНТ сама по себе также может являться функциональным элементом наноустройств. Один из примеров такого устройства – зонд из нанотрубок для атомно-силового микроскопа (AFM), позволяющий увеличить разрешение микроскопа и защитить остриё от разрушения. Изначально для создания такого устройства отдельная многостенная нанотрубка была присоединена к обычному коммерческому зонду на основе кремния. Дальнейшие разработки позволили усовершенствовать эту конструкцию и сейчас зонд из УНТ можно получить методом CVD, контролируемой сборкой или выращиванием строго упорядоченных нанотрубок на гладкой подложке. Другим примером наноустройства является нанопинцет, держатели которого представляют собой нанотрубки, соединённые со стеклянным капилляром. Управление зажимами происходит с помощью подачи разности потенциалов между ними.

Соединяя УНТ друг с другом можно построить более сложные структуры. Связи могут иметь внутримолекулярную и межмолекулярную природу. Связывая между собой УНТ различного диаметра и хиральности можно формировать электрические схемы нового поколения.

В многостенной нанотрубке отдельные слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, вследствие чего они легко двигаются друг относительно друга. Такие УНТ можно применять как гигагерцовые резонаторы и осцилляторы, трубчатые переключатели, элементы памяти, шприцы, линейные нано-серводвигатели со встроенным устройством для определения положения, как вращательные элементы для НЭМС. Кроме того, в МСНТ возможны сдвиги слоёв друг относительно друга (телескопическое движение) при котором меняется сопротивление нанотрубки. Это свойство можно использовать для создания уникальных электрических механизмов.

Открытые нанотрубки обладают капиллярными свойствами, поэтому в них можно помещать различные вещества. Уже есть работы по интеркалированию в нанотрубки металлов и их соединений, воды и фуллеренов. Примерами использования таких соединений являются темплаты, термометры, нанореакторы, наноконтейнеры.

Графен

Графен - плоский слой sp2-гибридных атомов углерода толщиной в один атом, образующих гексагональную решетку; двумерная форма углерода.

Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскоп для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

Методы получения

Механический

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света или измерением квантового эффекта Холла. Используя электронную литографию и реактивноеплазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Химический

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида.

Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

Перспективы применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 см²·В−1·с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг)

Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC). Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

Графан

Новый материал, теоретическое предположение о существовании которого было выдвинуто давно, создали ученые из Манчестерского университета. Графан, как его назвали исследователи, открывает широкие перспективы перед наноэлектроникой и водородной энергетикой.

В микроэлектронике давно используется материал под названием графен, который обладает замечательными полупроводниковыми средствами и может хранить информацию. Однако ограниченные полупроводниковые функции не позволят широко применять графен в электронике. Он не способен превращаться в стабильный диэлектрик, а значит идеально ровный и сверхпрочный материал не может быть использован для создания электронных схем.

Теоретическое решение проблемы предложили давно. Ученые рассчитали, что если к каждому атому углерода в графеновой решетке присоединить атом водорода, то получится отличный диэлектрик. Кроме того, он может послужить для надежного и долговременного хранения водорода, необходимого для дальнейшего развития водородной энергетики. В 2004 году потенциальная стабильность нового материала была доказана, однако ни одна попытка синтезировать графан в лабораторных условиях не увенчалась успехом. Для присоединения водорода к графену потребовалась очень высокая температура, которая побочно разрушает кристаллическую структуру материала. Но ученые из Манчестерского университета применили электрический импульс и добились-таки своего.

Полученный материал – графан решает сразу две проблемы. В наноэлектронике он позволяет создавать печатные схемы прямо на листе материала – для прорисовки контактных дорожек достаточно испарить водород в заданном месте при помощи лазера. Кроме того, графановые листы могут послужить отличным хранилищем водорода для целей энергетики. Возможно, именно на них будут построены топливные элементы нового поколения. Первые испытания графана в наноэлектронике дали повод для оптимистических оценок. Не исключено, что уже в ближайшем будущем компьютерные процессоры будут делать не из стандартного кремния с примесями, а из графановых пластин, что приведет к сокращению энергопотребления и уменьшит выброс излишнего тепла.

Сегодня размышления о применении графана находятся на начальном этапе. Перспективы его использования в микро- и наноэлектронике пока не до конца изучены, однако у ученых появились вполне осознанные мысли о новых топливных технологиях на основе графана. Огромная плотность атомов водорода в графане привлекает внимание ученых с целью разработки графеновых хранилищ водорода. Таким образом, графан является новым
перспективным материалом в нанотехнологиях, что требует его глубокого теоретического и экспериментального исследования.

Список литературы

1. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века, П.Н. Дьячков // Природа № 11, 2000 г.

2. Carbon nanotube arrays on silicon substrates and their possible application, Shoushan Fan et al. // Physica E 8 (2000) 179-183

3. Статья графен из Википедии, свободной энциклопедии. Доступно под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alikа

4. Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005)
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. — 2001.

6. Ерин Юрий. При взаимодействии с водородом графен превращается в графан [Электронный ресурс] URL :
http://elementy.ru/novosti_nauki/431012/Pri_vzaimodeyst vii_s_vodorodom_grafen_prevrashchaetsya_v_grafan
7. Российский электронный наножурнал
(нанотехнологии и их применение) // Графан -диэлектрик на основе графена [Электронный ресурс] URL :
http://www. nanorf.ru/events. aspx?cat_id=223&d_no= 119 7&print=1&
back_url=%2Fevents.aspx%3Fcat_id%3D223%26d_no%
3D1197
8. Л. Опенов. Графен. Плохие новости для графона. [Электронный ресурс] URL : Международный Научный Институт “Educatio” VIII(15), 2015 135 __ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2011/11_15_16/perst.htm
9. Запороцкова И.В., Прокофьева Е.В. Исследование влияния краевой функционализации на процессы капиллярного заполнения углеродных
нанотрубок водородом // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2009. Т. 12. № 4. С. 107- 111.