Вуглецеві нанотрубки. Вуглецеві нанотрубки: виробництво, застосування, властивості. Очищення від каталізаторів
вступ
Ще 15-20 років тому багато хто навіть і не замислювалися над можливою заміною кремнію. Мало хто міг припустити, що вже на початку двадцять першого століття між напівпровідниковими компаніями почнеться справжня «гонка нанометрів». Поступове зближення з наносвіту змушує задуматися, а що ж буде далі? Чи буде продовжено знаменитий закон Мура? Адже з переходом на більш тонкі виробничі норми перед розробниками постають все більш складні завдання. Багато фахівців взагалі схильні вважати, що через десяток-другий років кремній наблизиться до фізично непереборної кордоні, коли створювати більш тонкі кремнієві структури вже буде неможливо.
Судячи з останніми дослідженнями, одними з найбільш ймовірних (але далеко не єдиних) кандидатів на посаду «кремніезаменітелей» є матеріали на основі вуглецю - вуглецеві нанотрубки і графен - які, імовірно, можуть стати основою наноелектроніки майбутнього. Про них ми і хотіли поговорити в цій статті. Вірніше, мова піде все-таки більше про нанотрубки, оскільки вони були отримані раніше і краще вивчені. Розробок, пов'язаних з графеном поки набагато менше, але це ні трохи не применшує його гідності. Частина дослідників вважають, що графен є більш перспективним матеріалом, ніж вуглецеві нанотрубки, тому про нього ми сьогодні також скажімо пару слів. Тим більше, деякі досягнення дослідників, які відбулися зовсім недавно, надають трохи оптимізму.
Взагалі-то, охопити всі досягнення в цих активно розвиваються областях в рамках однієї статті дуже непросто, тому зупинимося лише на ключових подіях останніх місяців. Мета статті - коротко познайомити читачів з найважливішими і найбільш цікавими останніми досягненнями в області «вуглецевої» наноелектроніки та перспективними сферами її застосування. Для тих, хто зацікавиться, знайти безліч більш детальної інформації по цій темі не повинно скласти праці (особливо, зі знанням англійської мови).
вуглецеві нанотрубки
Після того, як до традиційних трьох алотропна формам вуглецю (графіту, алмазу і карбін) додалася ще одна (фулерени), протягом кількох наступних років з дослідницьких лабораторій шквалом посипалися повідомлення про відкриття та вивчення різноманітних структур на основі вуглецю з цікавими властивостями, таких як нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсні матеріали та ін.
В першу чергу нас цікавлять вуглецеві нанотрубки - порожнисті довгасті циліндричні структури діаметром близько від одиниць до десятків нанометрів (довжина традиційних нанотрубок обчислюється мікронами, хоча в лабораторіях вже отримують структури довжиною близько міліметрів і навіть сантиметрів). Ці наноструктури можна представити таким чином: просто беремо смужку графітовоїплощині і звертаємо її в циліндр. Звичайно, це лише образне уявлення. Насправді ж безпосередньо отримати графітову площину і скрутити її «в трубочку» не представляється можливим. Методи одержання вуглецевих нанотрубок є досить складною і об'ємною технічною проблемою, і їх розгляд виходить за рамки даної статті.
 |
Вуглецеві нанотрубки характеризуються великою різноманітністю форм. Наприклад, вони можуть бути одностінними або багатостінних (одношаровими або багатошаровими), прямими або спіральними, довгими і короткими, і т. Д. Що важливо, нанотрубки виявилися надзвичайно міцними на розтягнення і на вигин. Під впливом високих механічних напруг нанотрубки не рвуться, не ламаються, а просто перебудовується їх структура. До речі, якщо вже зайшла мова про міцність нанотрубок, цікаво відзначити одне з останніх досліджень природи цієї властивості.
Дослідники з Університету Райса (Rice University) під керівництвом Бориса Якобсона встановили, що вуглецеві нанотрубки поводяться як «розумні самовідтворюваними структури» (дослідження було опубліковано 16 лютого 2007 року в журналі Physical Review Letters). Так, при критичному механічному впливі і деформаціях, викликаних змінами температури або радіоактивним випромінюванням, нанотрубки вміють самі себе «ремонтувати». Виявляється, крім 6-вуглецевих осередків в нанотрубках також присутні п'яти- і семіатомние кластери. Ці 5/7-атомні осередку виявляють незвичайну поведінку, циклічно пересуваючись уздовж поверхні вуглецевої нанотрубки, як пароплави по морю. При виникненні пошкодження в місці дефекту ці осередки беруть участь в «загоєнні рани», перерозподіляючи енергію.
Крім того, нанотрубки демонструють безліч несподіваних електричних, магнітних, оптичних властивостей, які вже стали об'єктами ряду досліджень. Особливістю вуглецевих нанотрубок є їх електропровідність, яка виявилася вище, ніж у всіх відомих провідників. Вони також мають прекрасну теплопровідність, стабільні хімічно і, що найцікавіше, можуть набувати напівпровідникові властивості. За електронним властивостям вуглецеві нанотрубки можуть вести себе як метали, або як напівпровідники, що визначається орієнтацією вуглецевих багатокутників щодо осі трубки.
Нанотрубки схильні міцно злипатися між собою, формуючи набори, що складаються з металевих і напівпровідникових нанотрубок. До сих пір важким завданням є синтез масиву з тільки напівпровідникових нанотрубок або сепарація (відділення) напівпровідникових від металевих. З новітніми способами вирішення цієї проблеми ми познайомимося далі.
Графен
Графен, в порівнянні з вуглецевими нанотрубками, був отриманий набагато пізніше. Можливо, цим пояснюється той факт, що про графені в новинах ми чуємо поки що набагато рідше, ніж про вуглецевих нанотрубках, так як він слабкіше вивчений. Але це аж ніяк не применшує його достоїнств. До речі, пару тижнів тому графен виявився в центрі уваги в наукових колах, завдяки новій розробці дослідників. Але про це трохи пізніше, а зараз трохи історії.
У жовтні 2004 року інформаційний ресурс BBC News повідомив про те, що професор Андре Гейм (Andre Geim) зі своїми колегами з Манчестерського Університету (Великобританія) спільно з групою доктора Новосьолова (Черноголовка, Росія) зуміли отримати матеріал товщиною в один атом вуглецю. Названий графеном, він являє собою двомірну плоску молекулу вуглецю товщиною в один атом. Вперше в світі вдалося відокремити атомарний шар від кристала графіту.
Тоді ж Гейм і його командою був запропонований так званий балістичний транзистор на базі графену. Графен дозволить створювати транзистори і інші напівпровідникові прилади з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Зменшення довжини каналу транзистора призводить до зміни його властивостей. У наносвіті посилюється роль квантових ефектів. Електрони переміщаються по каналу як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень і, відповідно, підвищує енергоефективність транзистора.
Графен можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найбільш перспективних матеріалів для наноелектроніки. Оскільки з моменту отримання графена не минуло й трьох років, його властивості поки вивчені не дуже добре. Але перші цікаві результати експериментів уже є.
Останні «вуглецеві» досягнення
Так як ми спочатку познайомилися з вуглецевими нанотрубками (хронологічно вони були отримані першими), то в цій частині статті також почнемо з них. Ймовірно, у Вас може виникнути питання такого змісту: якщо вуглецеві нанотрубки настільки гарні і перспективні, так чому ж досі вони не впроваджені в масове виробництво?
Одна з головних проблем вже згадувалася на початку статті. Спосіб синтезу масиву, що складається тільки з нанотрубок з певними властивостями, формою і габаритами, який зміг би бути впроваджений в масове виробництво, на даний момент поки не створено. Більша увага приділяється сортуванні «змішаного» масиву, що складається з нанотрубок з напівпровідниковими і металевими властивостями (не менш важливою є також сортування по довжині і діаметру). Тут доречно згадати одну з перших розробок в цій області, яка належить компанії IBM, після якої перейдемо до останніх досягнень.
В роботі, датованій квітнем 2001 року, «Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown», повідомляється, що дослідники компанії IBM вперше побудували транзистор на основі вуглецевих нанотрубок, що мають діаметр в 1 нанометр, і довжиною близько одиниць мікрон. Увага акцентувалася на тому, що їм вдалося знайти спосіб, що дозволяє в перспективі зробити таке виробництво масовим.
Вчені з IBM розробили метод, який дозволив їм руйнувати все металеві нанотрубки і при цьому залишити неушкодженими напівпровідникові. На першому етапі масив нанотрубок поміщають на підкладку діоксиду кремнію. Далі поверх нанотрубок формуються електроди. Кремнієва підкладка відіграє роль нижнього електрода і сприяє замикання напівпровідникових нанотрубок. Далі подається надмірне напруження. В результаті «незахищені» нанотрубки з металевими властивостями руйнуються, а напівпровідникові залишаються цілими і неушкодженими.
Але це все просто на словах, а в реальності сам процес виглядає куди складніше. Повідомлялося про плани довести розробку до розуму вже через 3-4 роки (т. Е. До 2004/2005 році), але, як бачимо, повідомлень про впровадження даної технології поки не надходило.
Тепер перейдемо до сучасності, а саме - кінця осені минулого року. Тоді сайт Technology Review повідомив про новий метод сортування вуглецевих нанотрубок, який розробили дослідники Північно-Західного Університету (Northwestern University). Крім сепарації на основі провідних властивостей, цей метод також дозволяє сортувати нанотрубки по їх діаметру.
Цікаво, що спочатку ставили за мету проводити сортування тільки по діаметру, а можливість сортувати і по електричної провідності виявилася несподіванкою для самих дослідників. Професор хімії Монреальського Університету (Монреаль, Канада) Річард Мартел (Richard Martel) зазначив, що новий метод сортування можна назвати великим проривом в цій області.
В основу нового методу сортування лягло ультрацентрифугирование (ultracentrifugation), яке передбачає обертання матеріалу з величезними швидкостями до 64 тис. Обертів на хвилину. Перед цим на масив нанотрубок наноситься поверхнево-активна речовина, яка після ультрацентрифугирования розподіляється нерівномірно відповідно до діаметра застосованого і електропровідністю нанотрубок. Один з тих, хто тісно ознайомився з новим методом, професор університету Флориди (University of Florida at Gainesville) Ендрю Райнцлер (Andrew Rinzler) повідомив, що запропонований метод сортування дозволить отримати масив з концентрацією напівпровідникових трубок 99% і вище.
Нова технологія вже була задіяна в експериментальних цілях. За допомогою відсортованих напівпровідникових нанотрубок були створені транзистори з відносно простою структурою, які можуть використовуватися для контролю пікселів в панелях моніторів і телевізорів.
До речі, на відміну від методу IBM, коли металеві нанотрубки просто руйнувалися, дослідники Північно-Західного університету за допомогою ультрацентрифугирования можуть отримувати і металеві нанотрубки, які також можуть знайти застосування в електронних пристроях. Наприклад, вони можуть використовуватися як прозорі електроди в деяких типах дисплеїв і органічних осередках сонячних батарей.
Не будемо заглиблюватися в інші проблеми, які перешкоджають впровадженню нанотрубок, такі як технологічні труднощі інтеграції в серійні електронні пристрої, а також значні втрати енергії в місцях з'єднання металу з нанотрубками, що обумовлено високим опором контакту. Швидше за все, розкриття цих серйозних тем здасться малоцікавим і занадто складним для пересічного читача, до того ж може зайняти кілька сторінок.
Що стосується графена, розгляд досягнень в цій області, мабуть, почнемо з весни минулого року. У квітні 2006 в журналі Science Express з'явилася публікація фундаментального дослідження властивостей графену, проведеного групою вчених з Технологічного Інституту Джорджії (Georgia Institute of Technology (GIT), США) і Національного центру наукових досліджень Франції (Centre National de la Recherche Scientifique).
Перший важливий теза роботи: електронні схеми на основі графена можна виробляти традиційним обладнанням, яке використовується в напівпровідниковій промисловості. Професор інституту GIT Вальт де хір (Walt de Heer) коротко окреслив успіх дослідження так: «Ми показали, що можемо створювати графеновий матеріал,« вирізати »графенові структури, а також те, що графен має відмінні електричні властивості. Цей матеріал характеризується високою рухливістю електронів ».
Багато вчених і самі дослідники говорять про те, що вони заклали фундамент (базу) графеновой електроніки. Відзначається, що вуглецеві нанотрубки є лише першою сходинкою до світу наноелектроніки. В майбутньому ж електроніки Вальт де хір і його колеги бачать саме графен. Примітно, що дослідження підтримуються компанією Intel, а грошей на вітер вона не кидає.
Тепер коротко опишемо метод отримання графена і графенових мікросхем, запропонований Вальт де Хіромі і його колегами. Нагріваючи підкладку карбіду кремнію в високому вакуумі, вчені змушують атоми кремнію покинути підкладку, в результаті чого залишається тільки тонкий шар атомів вуглецю (графен). На наступному етапі вони завдають Фоторезістівний матеріал (фоторезист) і застосовують традиційну електронно-променеву літографію для витравлювання необхідних «візерунків», тобто використовують повсюдно застосовуються зараз виробничі технології. Це і є суттєвою перевагою графена перед нанотрубками.
В результаті вченим вдалося витравляти 80-нм наноструктури. Таким способом було створено графеновий польовий транзистор. Серйозним недоліком можна назвати великі струми витоку створеного приладу, хоча вчених тоді це анітрохи не засмутило. Вони вважали, що на початковому етапі це цілком нормальне явище. Крім того, було створено цілком працездатний пристрій квантової інтерференції, яке можна застосовувати для управління електронними хвилями.
З весни минулого року гучних досягнень подібно квітневої розробці не спостерігалося. По крайней мере, вони не з'являлися на сторінках інтернет-сайтів. А ось лютий цього року відзначився відразу кількома подіями і знову змусив задуматися про «графенових перспективи».
На початку минулого місяця свою розробку представила компанія AMO (AMO nanoelectronics group) в рамках проекту ALEGRA. Інженерам AMO вдалося створити графеновий транзистор з верхнім затвором (top-gated transistor), що робить їх структуру схожою з сучасними кремнієвими польовими транзисторами (MOSFET). Що цікаво, графеновий транзистор був створений за допомогою традиційної виробничої КМОП-технології.
На відміну від польових МОП-транзисторів (МОП - метал-оксид-напівпровідник) графенові транзистори, створені інженерами AMO, характеризуються більш високою рухливістю електронів і швидкістю перемикання. На жаль, на даний момент деталі розробки не розголошуються. Перші подробиці будуть опубліковані в квітні цього року в журналі IEEE Electron Device Letters.
Тепер переходимо до ще однієї «свіжої» розробки - графенових транзистору, що працює як одноелектронний напівпровідниковий прилад. Цікаво, що творцями цього пристрою є вже відомі нам професор Гейм, російський вчений Костянтин Новосьолов та інші.
Цей транзистор має області, в яких електричний заряд стає квантованим. При цьому спостерігається ефект кулоновской блокади (при переході електрона з'являється напруга, що перешкоджає руху наступних частинок, він своїм зарядом відштовхує побратимів. Це явище і було названо кулоновской блокадою. Через блокаду черговий електрон пройде тільки тоді, коли попередній віддалиться від переходу. Таким чином , частки зможуть «перескакувати» тільки через певні проміжки часу). В результаті по каналу транзистора, що має ширину всього кілька нанометрів, може проходити тільки один електрон. Тобто з'являється можливість управляти напівпровідникових приладів за все одним електроном.
Можливість управляти окремо взятими електронами відкриває нові можливості перед творцями електронних схем. В результаті можна істотно знизити напругу затвора. Пристрої на базі одноелектронних графенових транзисторів будуть відрізнятися високою чутливістю і відмінними швидкісними показниками. Звичайно, на порядок зменшаться і габарити. Що важливо, подолана серйозна проблема, характерна для досвідченого зразка графенового транзистора Вальт де Хіра, - великі струми витоку.
Хочеться відзначити, що одноелектронні прилади раніше вже створювали з використанням традиційного кремнію. Але проблема в тому, що більшість з них може працювати тільки при дуже низьких температурах (хоча вже є зразки, що працюють і при кімнатній температурі, але вони набагато більші графенових транзисторів). Дітище Гейма і його колег спокійно може працювати при кімнатній температурі.
Перспективи застосування вуглецевих наноматеріалів
Швидше за все, ця частина статті виявиться найбільш цікавою читачам. Адже теорія це одне, а втілення досягнень науки в реальних корисних людині пристроях, нехай навіть прототипах, має зацікавити споживача. Взагалі кажучи, можлива сфера застосування вуглецевих нанотрубок і графена досить різноманітна, але нас в першу чергу цікавить світ електроніки. Відразу хочеться відзначити, що графен є більш «молодим» вуглецевим матеріалом і поки знаходиться тільки на початку шляху досліджень, тому в цій частині статті основна увага буде приділена пристроям і технологій на базі вуглецевих нанотрубок.
дисплеї
Застосування вуглецевих нанотрубок в дисплеях тісно пов'язане з технологією FED (Field Emission Display), яка була розроблена французькою компанією LETI і вперше представлена \u200b\u200bв далекому 1991 році. На відміну від ЕЛТ, де застосовується до трьох так званих «гарячих» катодів, в FED-дисплеях спочатку застосовувалася матриця з безлічі «холодних» катодів. Як виявилося, занадто високий відсоток браку зробив FED-дисплеї неконкурентоспроможними. До того ж в 1997-1998 роках намітилася тенденція до суттєвого здешевлення рідкокристалічних панелей, що, як тоді здавалося, не залишало жодних шансів технології FED.
Дітище компанії LETI отримало «друге дихання» до кінця минулого століття, коли з'явилися перші дослідження FED-дисплеїв, в яких в якості катодів було запропоновано використовувати масиви вуглецевих нанотрубок. Ряд великих виробників проявили інтерес до дисплеям на базі вуглецевих нанотрубок, серед яких добре відомі кожному компанії Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer і інші. На ілюстрації ви бачите один з варіантів реалізації FED-дисплеїв на вуглецевих нанотрубках SDNT (small diameter carbon nanotubes, вуглецеві нанотрубки малого діаметра).
Відзначається, що FED-дисплеї на вуглецевих нанотрубках можуть змагатися з сучасними панелями з великою діагоналлю і в майбутньому складуть серйозну конкуренцію в першу чергу плазмових панелей (саме вони зараз панують в секторі зі надвеликими діагоналями). Найголовніше, що вуглецеві нанотрубки дозволять істотно здешевити виробництво FED-дисплеїв.
З останніх новин світу нанотрубочних FED-дисплеїв варто згадати недавнє повідомлення компанії Motorola про те, що її розробки практично готові покинути стіни дослідницьких лабораторій і перейти в стадію серійного виробництва. Цікаво, що Motorola не планує будувати власні заводи для виробництва нанотрубочних дисплеїв і в даний момент веде ліцензійні переговори з декількома виробниками. Керівник дослідницьких і досвідчених підрозділів компанії Motorola Джеймс Джеско (James Jaskie) зазначив, що дві азіатських компанії вже будують заводи для виробництва дисплеїв на базі вуглецевих нанотрубок. Так що нанотрубочного дисплеї не таке вже далеке майбутнє, і їх пора вже сприймати всерйоз.
Однією з важких завдань, які постали перед інженерами Motorola, було створення низькотемпературного методу отримання вуглецевих нанотрубок на підкладці (щоб не розплавити скляну підкладку). І цей технологічний бар'єр вже подолано. Також повідомляється про успішне завершення розробки методів сортування нанотрубок, що для багатьох компаній, що працюють в цій галузі, стало «непереборною перешкодою».
Директор DiplaySearch Стів Юрічіч (Steve Jurichich) вважає, що передчасно радіти компанії Motorola поки рано. Адже попереду ще завоювання ринку, де місце «під сонцем» вже зайняли виробники рідкокристалічних і плазмових панелей. Не варто забувати і про інші перспективні технології, таких як OLED (дисплеї на органічних світлодіодах), QD-LED (quantum-dot LED, різновид дисплеїв на світлодіодах з використанням так званих квантових точок, розроблені американською компанією QD Vision). До того ж в перспективі жорстку конкуренцію Motorola можуть скласти компанія Samsung Electronics і спільний проект по впровадженню нанотрубочних дисплеїв Canon і Toshiba (до речі, вони планують почати поставки перших нанотрубочних дисплеїв до кінця поточного року).
Вуглецеві нанотрубки знайшли застосування не тільки в FED-дисплеях. Дослідники лабораторії Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (провінція Квебек, Канада) запропонували використовувати в якості електродів для OLED-дисплеїв матеріал на основі одностінних вуглецевих нанотрубок. Як повідомляє сайт Nano Technology World, нова технологія дозволить створювати дуже тонку електронний папір. Завдяки високій міцності нанотрубок і надзвичайно малій товщині матриці електродів, OLED-дисплеї можуть бути дуже гнучкими, а також мати високий ступінь прозорості.
 |
 |
пам'ять
Перш ніж почати розповідь про найцікавіші «вуглецевих» розробках в області пам'яті хочеться відзначити, що дослідження технологій зберігання інформації в цілому є одним з найбільш активно розвиваються, у даний час. Нещодавно пройшли виставки Consumer Electronic Show (Лас-Вегас) і ганноверская CeBIT показали, що інтерес до різноманітних накопичувачів, системам зберігання даних з часом не вщухає, а лише зростає. І це не дивно. Тільки вдумайтеся: за даними аналітичної організації IDC, в 2006 році було створене близько 161 млрд. Гігабайт інформації (161 екзабайт), що в десятки разів перевищує показники минулих років!
За минулий 2006 рік залишалося тільки дивуватися винахідницьким ідеям вчених. Чого ми тільки не бачили: і пам'ять на золотих наночастицах, і пам'ять на базі надпровідників, і навіть пам'ять ... на віруси і бактерії! Останнім часом все частіше в новинах згадуються такі технології незалежної пам'яті, як MRAM, FRAM, PRAM і інші, які є вже не тільки «паперовими» експонатами або демонстраційними прототипами, а цілком працездатними пристроями. Так що технології пам'яті на основі вуглецевих нанотрубок є лише невеликою часткою досліджень, присвячених збереженню інформації.
Мабуть, почнемо нашу розповідь про «нанотрубочной» пам'яті з розробок компанії Nantero, що вже стала досить відомою в своїй області. Все почалося з далекого 2001 року, коли в молоду компанію було залучено великі інвестиції, що дозволили розпочати активні розробки нового типу незалежній пам'яті NRAM на базі вуглецевих нанотрубок. У минулому році ми бачили кілька серйозних розробок Nantero. У квітні 2006 компанія повідомила про створення перемикача пам'яті типу NRAM, виробленого по 22-нм нормам. Крім фірмових розробок Nantero, до створення нового пристрою були залучені існуючі виробничі технології. У травні того ж року її технологія створення пристроїв на базі вуглецевих нанотрубок була успішна інтегрірована.в КМОП-виробництво на обладнанні компанії LSI Logic Corporation (на фабриці компанії ON Semiconductor).
В кінці 2006 року відбулася знаменна подія. Компанія Nantero повідомила про подолання всіх основних технологічних бар'єрів, що перешкоджають масового виробництва чіпів на базі вуглецевих нанотрубок з використанням традиційного обладнання. Розроблено спосіб нанесення нанотрубок на кремнієву підкладку з використанням такого відомого методу, як spin-coating, після чого застосовуються традиційні для напівпровідникового виробництва літографія і травлення. Одним з достоїнств NRAM-пам'яті називаються високі швидкості читання / запису.
Втім, заглиблюватися в технологічні тонкощі не будемо. Зазначу лише, що подібного роду досягнення дають всі підстави Nantero розраховувати на успіх. Якщо інженерам компанії вдасться довести розробку до логічного кінця і виробництво чіпів NRAM буде не дуже дорогим (а можливість застосування існуючого обладнання дає право сподіватися на це), то ми станемо свідками появи нового грізного зброї на ринку пам'яті, яке може серйозно потіснити існуючі типи пам'яті, включаючи SRAM, DRAM, NAND, NOR і т.д.
Як і в багатьох інших областях науки і техніки, дослідженнями пам'яті на вуглецевих нанотрубках займаються не тільки комерційні компанії, такі як Nantero, а й лабораторії провідних навчальних закладів світу. Серед цікавих робіт, присвячених «вуглецевої» пам'яті, хочеться відзначити розробку співробітників гонконгського політехнічного університету (Hong- Kong Polytechnic University), опубліковану в квітні минулого року на сторінках онлайн-видання Applied Physics Letters.
На відміну від багатьох подібних розробок, що функціонують лише при дуже низьких температурах, пристрій, створене фізиками Джайеном Даємо (Jiyan Dai) і Лу (X. B. Lu), може працювати і при кімнатній температурі. Незалежна пам'ять, створена гонконзькими дослідниками, не така швидка, як NRAM компанії Nantero, тому перспектива зрушити з трону DRAM їй, швидше за все, не вдасться. А ось як потенційну заміну традиційної флеш-пам'яті її розглядати можна.
Для того, щоб зрозуміти в загальних рисах принцип функціонування цієї пам'яті, досить поглянути на наведену нижче ілюстрацію (b). Вуглецеві нанотрубки (CNT, carbon nanotubes) грають роль шару для зберігання (запам'ятовування) заряду. Вони як би затиснуті між двома шарами HfAlO (що складаються з гафнію, алюмінію і кисню), які грають роль керуючого затвора і шару окису. Вся ця структура розміщується на кремнієвій підкладці.
Досить оригінальне рішення запропонували корейські вчені Йон Он Кан (Jeong Won Kang) і Кін Янь (Qing Jiang). Їм вдалося розробити пам'ять на базі так званих телескопічних нанотрубок. Принцип, покладений в основу нової розробки, був відкритий ще в 2002 році і був описаний в роботі «Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators». Її авторам вдалося встановити, що нанотрубка з вкладеною в неї інший нанотрубки меншого діаметра утворюють осцилятор, що досягає частоти коливань порядку гігагерц.
Висока швидкість ковзання нанотрубок, вкладених в інші нанотрубки, обумовлює швидкодію нового типу пам'яті. Йон Он Кан і Кін Янь стверджують, що їх розробка може застосовуватися не тільки як флеш-пам'ять, а й в ролі швидкодіючого ОЗУ. Принцип роботи пам'яті легко зрозуміти виходячи з малюнка.
Як бачите, пара вкладених одна в іншу нанотрубок поміщаються між двома електродами. При подачі заряду на один з електродів внутрішня нанотрубка переміщається в ту чи іншу сторону під дією сил Ван-дер-Ваальса. Цією розробці притаманний один суттєвий недолік: зразок такої пам'яті може працювати тільки при дуже низьких температурах. Втім, вчені впевнені, що ці проблеми тимчасові і їх можна буде подолати на наступних етапах досліджень.
Цілком природно, багато розробки так і залишаться мертвонародженими. Адже одна справа прототип, що працює в лабораторних умовах, а на шляху до комерціалізації технології завжди лежить безліч труднощів, і не тільки чисто технічних, а й матеріальних. У будь-якому випадку, існуючі роботи вселяють певний оптимізм і досить пізнавальними.
Процесори
Тепер помріємо про те, яке вуглецеве майбутнє може чекати процесори. Гіганти процесорної індустрії активно шукають нові способи продовження закону Гордона Мура, і з кожним роком їм стає все важче. Зменшення розмірів напівпровідникових елементів і величезна щільність розміщення їх на кристалі кожен раз ставить дуже складну задачу зменшення струмів витоку. Основними напрямками вирішення подібних проблем є пошук нових матеріалів для використання в напівпровідникових приладах і зміна самої їх структури.
Як Ви, напевно, знаєте, недавно компанії IBM і Intel майже одночасно повідомили про застосування нових матеріалів для створення транзисторів, які будуть використовуватися в процесорах наступного покоління. Як подзатворного діелектрика замість діоксиду кремнію були запропоновані матеріали з високим значенням діелектричної постійної (high-k) на базі гафнію. При створенні електрода затвора кремній буде витіснений металевими сплавами.
Як бачимо, вже сьогодні спостерігається поступове заміщення кремнію і матеріалів на його основі більш перспективними сполуками. Багато компаній вже давно замислюються над заміною кремнію. Одними з найбільших спонсорів дослідних проектів в області вуглецевих нанотрубок і графена є компанії IBM і Intel.
В кінці березня минулого року група дослідників компанії IBM і двох університетів Флориди і Нью-Йорка повідомили про створення першої закінченої електронної інтегральної схеми на базі всього однієї вуглецевої нанотрубки. Ця схема має товщину в п'ять разів меншу за діаметр людської волосини і може спостерігатися тільки через потужний електронний мікроскоп.
Дослідники IBM зуміли досягти швидкостей, майже в мільйон разів перевищують отримані раніше на схемах з безліччю нанотрубок. Хоча ці швидкості все ще нижче тих, на яких працюють сучасні кремнієві чіпи, вчені IBM впевнені, що нові нанотехнологические процеси в кінцевому рахунку дозволять розкрити колосальні потенційні можливості електроніки вуглецевих нанотрубок.
Як зазначив професор Жорж Аппенцеллер (Joerg Appenzeller), створений дослідниками кільцевої генератор на основі нанотрубки є прекрасним засобом для вивчення характеристик вуглецевих електронних елементів. До ольцевой генератор - схема, на якій виробники мікросхем зазвичай перевіряють можливості нових виробничих процесів або матеріалів. Ця схема допомагає передбачати, як нові технології поведуть себе в закінчених виробах.
Порівняно давно веде свої дослідження щодо можливого застосування вуглецевих нанотрубок в процесорах і компанія Intel. Згадати про те, що Intel не байдужа до нанотрубок, змусило недавнє захід Symposium for the American Vacuum Society, на якому активно обговорювалися останні досягнення компанії в цій області.
До речі, вже розроблений прототип чіпа, де в якості межсоединений використовуються вуглецеві нанотрубки. Як відомо. перехід на більш прецизійні норми тягне за собою збільшення електричних опорів з'єднувальних провідників В кінці 90-х років виробники мікросхем перейшли на використання мідних провідників замість алюмінієвих. Але вже в останні роки навіть мідь перестає задовольняти виробників процесорів, і поступово вони готують їй заміну.
Одним з перспективних напрямків бачиться застосування саме вуглецевих нанотрубок. До речі, як ми вже згадували на початку статті, вуглецеві нанотрубки не тільки мають кращу в порівнянні з металами провідність, але і можуть грати роль напівпровідників. Таким чином, реальною бачиться можливість в майбутньому повністю витіснити кремній в процесорах і інших мікросхемах і створювати чіпи, зроблені цілком з вуглецевих нанотрубок.
З іншого боку, «ховати» кремній теж поки рано. По-перше, повне витіснення кремнію вуглецевими нанотрубками в мікросхемах навряд чи станеться в найближче десятиліття. І це відзначають самі автори успішних розробок. По-друге, перспективи у кремнію також є. Крім вуглецевих нанотрубок, кремній також має шанси забезпечити собі майбутнє в наноелектроніки - у вигляді кремнієвих нанодротів, нанотрубок, наноточек та інших структур, які також є предметом вивчення у багатьох дослідницьких лабораторіях.
Післямова
На закінчення хочеться додати, що цією статтею вдалося охопити лише дуже малу частину того, що зараз твориться в області вуглецевого наноелектроніки. Світлі голови продовжують винаходити витончені технології, частина з яких, можливо, стане фундаментом електроніки майбутнього. Дехто схильний вважати, що нанороботи, прозорі дисплеї, телевізори, які можна скрутити в тонку трубочку, і інші дивовижні пристрої залишаються фантастикою і втіляться в реальність тільки в дуже далекому майбутньому. Але ряд вражаючих досліджень вже сьогодні змушують задуматися про те, що все це не такі вже й далекі перспективи.
До того ж, крім розглянутих в даній статті вуглецевих нанотрубок і графена дивовижні відкриття відбуваються в молекулярній електроніці. Цікаві дослідження ведуться в області зв'язку біологічного і кремнієвого світів. Перспектив розвитку комп'ютерної індустрії багато. І передбачити, що буде через 10-15 років, напевно, не візьметься ніхто. Очевидно одне: попереду нас чекає ще безліч захоплюючих відкриттів і вражаючих пристроїв.
Джерела інформації, що використовувалися при написанні статті
- [Email protected] ()
- PhysOrg.com ()))
- IBM Research ()
- K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films»
- K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, and A.K. Geim «Two-dimensional atomic crystals»
- Quanshui Zheng, Qing Jiang. «Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators»
Одношарові вуглецеві нанотрубки були відкриті в 1993 році. Одночасно вийшли дві статті в одному випуску журналу Nature, В яких дослідники з Японії Ічіхаші і Суміо Ііджіма, а також вчені з IBM опублікували результати про можливість синтезу одношарових вуглецевих нанотрубок з використанням металевих каталізаторів. Вуглецеві нанотрубки є чемпіонами, рекордсменами серед інших матеріалів.
Розглянемо фізичні властивості. Провідність. Електрична провідність вуглецевих нанотрубок набагато вище, ніж у міді і срібла. Крім того, на відстані декількох мікрометрів спостерігається балістична провідність. З іншого боку, вуглецеві нанотрубки - це чудовий напівпровідниковий матеріал, який за своїми характеристиками може зрівнятися з кремнієм. З використанням одношарових вуглецевих нанотрубок можна отримати транзистори, в яких рухливість значно перевищує рухливість в традиційних кремнієвих транзисторах. Крім того, одношарові нанотрубки дозволяють отримати транзистори на гнучких і прозорих підкладках. Одношарові вуглецеві нанотрубки володіють чудовими тепловими властивостями, кращими, ніж ті, що у алмазу: теплова провідність в трубках приблизно в 2 рази вище. Крім того, одношарові вуглецеві нанотрубки - це ефективний польовий емітер холодних електронів.
Термічна стійкість вуглецевих нанотрубок досить висока: можна, не боячись зруйнувати їх, нагрівати до 1500 градусів Цельсія, в той час як їх основний конкурент - органічні провідники - починають руйнуватися вже при температурі близько 150 градусів Цельсія. Вуглецеві нанотрубки дуже легкий матеріал. З іншого боку, вони мають високою питомою міцністю - в 25 разів вище, ніж у високоміцної сталі. Це чи не єдиний матеріал, з якого можна було б створити космічний ліфт, зв'язавши обертається на геостаціонарній орбіті супутник із Землею, у вигляді троса, на якому можна було б піднімати вантажі в космос. Добавки вуглецевих нанотрубок в полімери дозволяють отримати композити, в яких змінюються механічні властивості, виходять дуже міцні композиційні матеріали, в яких варіюється і електрична провідність. Якщо матеріал покрити шаром вуглецевих нанотрубок, то можна отримати шар, який буде захищати і екранувати матеріал від електромагнітних хвиль.
Що можна сказати про енергетичні застосуваннях: вуглецеві нанотрубки можна використовувати в якості анода в літієвих батареях, як суперконденсаторів, і, крім того, вони є ефективними елементами в сонячних батареях - на барвниках, а також на гетероперехідах, де кремнієвий π-шар був заміщений одношаровими нанотрубками. Крім того, з вуглецевих нанотрубок можна робити різноманітні газові та оптичні сенсори досить широкого спектрального діапазону. Вуглецеві нанотрубки можна використовувати в якості прозорих електродів і транзисторів. Про це мені хотілося б розповісти трохи детальніше, але пізніше.
Хотілося б поговорити про провідності вуглецевих нанотрубок. Як я вже говорив, одношарові вуглецеві нанотрубки є одночасно і хорошим металевим провідником, і чудовим полупроводником. Тип провідності визначається групою симетрії. Якщо ми знаємо індекси хиральности, то можемо передбачити металеві властивості вуглецевої нанотрубки. Якщо різниця цих індексів дорівнює 0 або кратна 3, ми отримуємо вуглецеві нанотрубки, які мають металеві властивості, в той час як всі інші нанотрубки будуть напівпровідниковими. Очевидно, що 1/3 вуглецевих нанотрубок є металевими і 2/3 - напівпровідниковими. На жаль, жоден з методів, що існують в даний час, не дозволяє синтезувати вуглецеві нанотрубки з певною хиральностью. Що говорити про хиральности - неможливо отримати вуглецеві нанотрубки навіть з певною вмістом металів.
За способами атомізації вуглецю все методи синтезу вуглецевих нанотрубок можна розділити на фізичні і хімічні. Фізичний метод заснований на випаровуванні і сублімації вуглецю. Ми знаємо, що графіт володіє дуже низьким тиском насичених парів, тому для того, щоб випарувати графіт, його необхідно нагріти до температури вище 3000 кельвінів. Для цього можна використовувати сонячну енергію, індукційне нагрівання, лазерну абляцию або електродугової розряд. Цей метод був дуже популярний на зорі дослідження вуглецевих нанотрубок, однак високі температури, на жаль, не дозволяють контролювати властивості отриманого матеріалу. Тому останнім часом спостерігається тенденція до дослідження одношарових вуглецевих нанотрубок - точніше, методів їх отримання - хімічними методами. Цей метод заснований на розкладанні вуглецевих сполук - це можуть бути вуглеводні, спирти, кетони, будь-яка органіка, монооксид вуглецю.
У свою чергу, хімічні методи я б розділив на синтез вуглецевих нанотрубок на підкладках і в газовій фазі. Синтез вуглецевих нанотрубок на підкладках - це найбільш поширений метод. Він дозволяє отримати вуглецеві нанотрубки: можете взяти інертну підкладку, сформувати на ній наночастинки каталізатора, помістити таку підкладку в реактор на певний час (зазвичай це 5, 10, 20 або 30 хвилин), після чого насолоджуватися в електронному мікроскопі картинками, отриманими на вашій підкладці . З іншого боку, аерозольний метод не заснований на використанні підкладки, а всі процеси утворення вуглецевих нанотрубок відбуваються в газовій фазі. Тут спостерігається серйозне обмеження за часом, так як між введенням і виходом пара в реактор проходить близько 10-12 секунд. За цей час має відбутися все: розпад прекурсора - каталізатора (зазвичай в таких методах використовують або пентакарбоніл заліза, або ферроцен), потім освіту каталітичних частинок нанометрового розміру, від 1 до 5 нанометрів, розпад або розкладання вуглецевих компонентів на поверхні каталізатора і зростання вуглецевих нанотрубок . На все відводиться 12 секунд.
Аерозольний метод дослідження вуглецевих нанотрубок вперше був запропонований в 1999 році в Хьюстонском університеті. Я теж займаюся синтезом вуглецевих нанотрубок саме аерозольним методом вже близько 13 років. Я вважаю, що цей метод є найбільш перспективним з усіх, так як дозволяє отримати високоякісні вуглецеві нанотрубки без невикористаних каталітичних частинок, без аморфного вуглецю, тобто продукт, який при виході з реактора готовий до повсюдного використання. Після реактора вуглецеві нанотрубки осідають на фільтр. Потім їх можна перенести на будь-яку іншу підкладку. Процес цей займає буквально лічені секунди, але дозволяє дуже швидко отримати високоякісні прозорі електроди.
У наших роботах ми використовували вуглецеві нанотрубки в багатьох сферах, починаючи з фільтрів і закінчуючи електронікою. Наведу кілька прикладів. Аерозольні фільтри. Через плівку з вуглецевих нанотрубок газовий потік, що містить аерозольні частинки, від яких ми хочемо позбутися, проходить досить легко, не створюючи опору. Крім того, нанопори дозволяють фільтрувати практично всі об'єкти. Ми заміряли характеристики такого фільтра і отримали, що добротність фільтрів, зроблених з одношарових вуглецевих нанотрубок, на порядок вище, ніж у комерційних наявних аналогів. Крім того, ми використовували вуглецеві нанотрубки як електрохімічних сенсорів - стандартні випробування на допамін дозволили нам визначити рівень чутливості менше 100 міллінаномолей в досить широкому діапазоні - приблизно 4 порядку по концентрації. Плівка з вуглецевих нанотрубок є чудовим лазерним поглиначем, який дозволяє отримати 200-Фемтосекундний імпульси. Крім того, вуглецеві нанотрубки можуть використовуватися в якості витратоміра, нагрівача повітря, лампи розжарювання і в інших приладах. Ми створили в тому числі термоакустичний гучномовець, використовуючи вільно підвішені вуглецеві нанотрубки. Крім цього, чудовими властивостями володіють прозорі електроди, які, я вважаю, скоро з'являться на ринку, тому що прозорі електроди, зроблені на основі одношарових вуглецевих нанотрубок, мають чудові характеристиками, порівнянними з оксидом індію, легованих оловом.
Одношарові вуглецеві нанотрубки можуть використовуватися і, швидше за все, будуть використовуватися в електроніці у вигляді прозорих електродів. По-англійськи це називається ITO-replacement - заміщення оксиду індію, легованого оловом, це матеріал, який використовується в 75% мобільних телефонів і гаджетів. Відомо, що індій є рідкоземельних матеріалом, крім того, оксид індію, легований оловом, досить крихкий матеріал, який не може використовуватися для гнучкої та прозорої електроніки, в той час як одношарові вуглецеві нанотрубки, точніше плівки з них, можна згинати в кілька десятків тисяч раз практично без зміни поверхневого опору. Крім того, з нашого матеріалу можна зробити тонкоплівкові польові транзистори, які мають чудові характеристиками на рівні традиційних кремнієвих технологій, а іноді і перевищують їх, зі ставленням струму включення і виключення 106 і 108 і з рухливістю носіїв зарядів близько 1000 і більше квадратних сантиметрів на вольт на секунду.
Аерозольний метод синтезу вуглецевих нанотрубок і приготування плівок, обложених на фільтр, представляє собою унікальну можливість приготування компонентів для гнучкої та прозорої електроніки. Осадження відбувається при кімнатній температурі, ця технологія не вимагає вакууму, вона досить швидка і дешева. Нашою метою є створення великотоннажного виробництва вуглецевих нанотрубок з можливістю використання рулонної технології для використання в гнучкої та прозорої електроніці.
Енергетика є важливою галуззю промисловості, яка відіграє величезну роль в житті людини. Енергетичне стан в країні залежить від роботи багатьох вчених в даній галузі. На сьогоднішній день вони займаються пошуком Для цих цілей вони готові використовувати все що завгодно, починаючи сонячним світлом і водою, закінчуючи енергією повітря. Те обладнання, яке здатне виробляти енергію з навколишнього середовища, дуже цінується.
Загальні відомості
Вуглецеві нанотрубки - це протяжні згорнуті графітові площині, мають циліндричну форму. Як правило, товщина їх сягає кількох десятків нанометрів, з довжиною в кілька сантиметрів. На кінці нанотрубок утворюється сферична головка, яка є однією з частин фуллерена.
Існують такі типи вуглецевих нанотрубок: металеві та напівпровідникові. Головним їх відмінністю є провідність струму. Перший вид може проводити струм при температурі, рівній 0ºС, а другий - тільки при підвищених температурах.
Вуглецеві нанотрубки: властивості
Більшість сучасних напрямків, таких як прикладна хімія або нанотехнології, пов'язані з нанотрубками, які мають вуглецеву каркасну структуру. Що це таке? Під даною структурою мають на увазі великі молекули, пов'язані між собою тільки атомами вуглецю. Вуглецеві нанотрубки, властивості яких засновані на замкнутому вигляді оболонки, дуже цінуються. Крім того, дані освіти мають циліндричну форму. Такі трубки можуть отримуватися шляхом згортання графітового листа, або рости з певного каталізатора. Вуглецеві нанотрубки, фото яких представлені нижче, мають незвичайну структуру.
Вони бувають різних форм і розмірів: одношарові і багатошарові, прямі і звивисті. Незважаючи на те, що нанотрубки виглядають досить тендітними, вони є міцним матеріалом. В результаті багатьох досліджень було з'ясовано, що їм притаманні такі властивості, як розтягнення і вигин. При дії серйозних механічних навантажень, елементи не рвуться і не ламаються, тобто можуть підлаштовуватися під різний напруга.
токсичність
В результаті множинних досліджень було з'ясовано, що вуглецеві нанотрубки можуть викликати такі ж проблеми, як і азбестові волокна, тобто виникають різні злоякісні пухлини, а також рак легенів. Ступінь негативного впливу азбесту залежить від типу і товщини його волокон. Так як вуглецеві нанотрубки мають невелику вагу і розміри, вони легко потрапляють в організм людини разом з повітрям. Далі, вони потрапляють в плевру і входять в грудну клітку, і з часом викликають різні ускладнення. Вчені провели експеримент, і додали в їжу мишей частинки нанотрубок. Вироби малого діаметра практично не затримувалися в організмі, а ось більш великі - впивалися в стінки шлунка і викликали різні захворювання.
методи отримання
На сьогоднішній день існують наступні методи отримання вуглецевих нанотрубок: дугового заряд, абляція, осадження з газової фази.
Електродугової розряд. Отримання (вуглецеві нанотрубки описуються в даній статті) в плазмі електричного заряду, який горить із застосуванням гелію. Такий процес може виконуватися за допомогою спеціального технічного обладнання для отримання фулеренів. Але при цьому способі використовуються інші режими горіння дуги. Наприклад, знижується, а також використовують катоди величезних товщини. Для створення атмосфери з гелію необхідно підвищити тиск цього хімічного елемента. Вуглецеві нанотрубки виходять методом розпилення. Щоб їх кількість збільшилася, необхідно ввести в графітовий стрижень каталізатор. Найчастіше це суміш різних груп металу. Далі, відбувається зміна тиску і способу розпилення. Таким чином, виходить катодний осад, де і утворюються вуглецеві нанотрубки. Готові вироби ростуть перпендикулярно від катода і збираються в пучки. Вони мають довжину 40 мкм.
Аблясація. Такий спосіб був винайдений Річардом Смаллі. Суть його полягає в тому, щоб випаровувати різні графітові поверхні в реакторі, що працює при високих температурах. Вуглецеві нанотрубки утворюються в результаті випаровування графіту на нижній частині реактора.
Охолодження і збір їх відбувається за допомогою охолоджуючої поверхні. Якщо в першому випадку, кількість елементів дорівнювало 60%, то при даному способі цифра збільшилася на 10%. Вартість методу лазерної абсоляціі дорожче, ніж всі інші. Як правило, отримують одношарові нанотрубки завдяки зміні температури реакції.
Осадження з газової фази. Метод осадження парів вуглецю був винайдений в кінці 50-х років. Але ніхто навіть і гадки не мав, що за допомогою нього можна отримувати вуглецеві нанотрубки. Отже, для початку необхідно підготувати поверхню з каталізатором. Як нього можуть служити дрібні частинки різних металів, наприклад, кобальту, нікелю і багатьох інших. Нанотрубки починають з'являтися з шару каталізатора. Їх товщина безпосередньо залежить від розміру каталізує металу. Поверхня нагрівається до високих температур, а потім відбувається підведення газу, що містить вуглець. Серед них - метан, ацетелен, етанол і т. Д. В якості додаткового технічного газу служить аміак. Даний спосіб отримання нанотрубок є найпоширенішим. Сам процес відбувається на різних промислових підприємствах, завдяки чому витрачається менше фінансових коштів для виготовлення великої кількості трубок. Ще однією перевагою такого методу є те, що вертикальні елементи можуть вийти з будь-яких частинок металу, службовців каталізатором. Отримання (вуглецеві нанотрубки описуються з усіх боків) стало можливим завдяки дослідженням Суомі Ііджіма, який спостерігав під мікроскопом за їх появою в результаті синтезу вуглецю.
Основні види
Вуглецеві елементи класифікують за кількістю шарів. Найпростіший вид - одностінні вуглецеві нанотрубки. Кожна з них має товщину приблизно 1 нм, причому їх довжина може бути набагато більше. Якщо розглядати будову, то виріб виглядає як обгортання графіту за допомогою шестикутної сітки. В її вершинах розташовані атоми вуглецю. Таким чином, трубка має форму циліндра, у якого немає швів. Верхня частина пристроїв закривається кришками, що складаються з молекул фулерену.
Наступний вид - багатошарові вуглецеві нанотрубки. Вони складаються з декількох шарів графіту, які складені в форму циліндра. Між ними витримується відстань в 0,34 нм. Структуру даного типу описують за допомогою двох способів. По першому, багатошарові трубки - це кілька вкладених один в одного одношарових трубок, що схоже на матрьошку. За другим, багатошарові нанотрубки представляють собою лист графіту, який кілька разів обертається навколо себе, що схоже на згорнуту газету.
Вуглецеві нанотрубки: застосування
Елементи є абсолютним новим представником класу наноматеріалів.
Як говорилося раніше, вони мають каркасну структуру, яка за властивостями відрізняється від графіту або алмазу. Саме тому і застосовуються набагато частіше, ніж інші матеріали.
Завдяки таким характеристикам, як міцність, вигин, провідність, використовуються в багатьох областях:
- в якості добавок до полімерів;
- каталізатором для освітлювальних пристроїв, а також плоских дисплеїв і трубок в телекомунікаційних мережах;
- в якості поглинача електромагнітних хвиль;
- для перетворення енергії;
- виготовлення анодів в різних видах батарейок;
- зберігання водню;
- виготовлення датчиків і конденсаторів;
- виробництва композитів і посилення їх структури і властивостей.
Протягом багатьох років вуглецеві нанотрубки, застосування яких не обмежується однією певною галуззю, використовуються в наукових дослідженнях. Такий матеріал має слабкі позиції на ринку, так як існують проблеми з масштабним виробництвом. Ще одним важливим моментом є велика вартість вуглецевих нанотрубок, яка становить приблизно 120 доларів за один грам такої речовини.
Вони застосовуються як основний елемент для виробництва багатьох композитів, які використовуються для виготовлення багатьох спортивних товарів. Ще одна галузь -автомобілестроеніе. Функціоналізація вуглецевих нанотрубок в даній області зводиться до наділення полімерів провідними властивостями.
Коефіцієнт теплопровідності нанотрубок досить високий, тому їх можна використовувати в якості охолоджувального пристрою для різного масивного обладнання. Також з них виготовляють наконечники, які приєднуються до зондовим трубах.
Найважливішою галуззю застосування є комп'ютерні технології. Завдяки нанотрубок створюються особливо плоскі дисплеї. За допомогою їх можна істотно зменшити габаритні розміри самого комп'ютера, а також збільшити його технічні показники. Готове обладнання буде в кілька разів перевищувати нинішні технології. На основі цих досліджень можна створити високовольтні кінескопи.
Згодом, трубки будуть використовуватися не тільки в електроніці, але і медичних і енергетичних сферах.
виробництво
Вуглецеві трубки, виробництво яких розподілено між двома їх видами, розподілено нерівномірно.
Тобто, MWNT виготовляють набагато більше, ніж SWNT. Другий вид роблять в разі гострої необхідності. Різні фірми постійно проводять вуглецеві нанотрубки. Але попитом вони практично не користуються, так як їх вартість завищено.
лідери виробництва
На сьогодні провідне місце у виробництві вуглецевих нанотрубок займають країни Азії, яких вище в 3 рази, ніж в інших країнах Європи і Америки. Зокрема, виготовленням MWNT займається Японія. Але інші країни, такі як Корея і Китай, ніяк не поступаються за цим показником.
Виробництво в Росії
Вітчизняне виробництво вуглецевих нанотрубок істотно відстає від інших країн. Насправді все залежить від якості проведених досліджень в даній області. Тут не виділяється достатньо фінансових засобів для створення науково-технологічних центрів в країні. Багато людей не сприймають розробки в області нанотехнологій, тому що не знають, як це можна використовувати в промисловості. Тому перехід економіки на нову стежку проходить досить складно.
Тому президентом Росії був виданий указ, в якому вказуються шляхи розвитку різних областей нанотехнологій, в тому числі і вуглецевих елементів. Для цих цілей була створена спеціальна програма розвитку і технологій.
Щоб всі пункти наказу виконувалися, була створена компанія «Роснанотех». На її функціонування було виділено суттєва сума з державного бюджету. Саме вона повинна контролювати процес розробки, виробництва і впровадження в промислову сферу вуглецевих нанотрубок. Виділена сума витратиться на створення різних науково-дослідних інститутів і лабораторій, а також дозволить зміцнити вже існуючі напрацювання вітчизняних вчених. Також ці кошти підуть на закупівлю високоякісного обладнання для отримання вуглецевих нанотрубок. Варто також подбати про тих пристроях, які будуть захищати здоров'я людини, так як даний матеріал викликає безліч хвороб.
Як говорилося раніше, вся проблема полягає в залученні коштів. Більшість інвесторів не хочуть вкладатися в наукові розробки, тим більше на тривалий час. Всі бізнесмени хочуть бачити прибуток, але нанорозробки можуть йти роками. Саме це відштовхує представників малого та середнього бізнесу. Крім того, без державного інвестування не вийде в повній мірі запустити виробництво наноматеріалів.
Ще однією проблемою є відсутність правової бази, так як немає проміжних ланок між різними ступенями бізнесу. Тому вуглецеві нанотрубки, виробництво в Росії яких не затребуване, вимагають не тільки фінансових, а й розумових вкладень. Поки РФ далека від країн Азії, які є провідними в розробці нанотехнологій.
На сьогоднішній день розробками в даній галузі займаються на хімічних факультетах різних університетів Москви, Тамбова, Санкт-Петербурга, Новосибірська і Казані. Провідними виробниками вуглецевих нанотрубок є фірма «Гранат» і тамбовський завод «Комсомолець».
Позитивні і негативні сторони
Серед переваг можна виділити особливі властивості вуглецевих нанотрубок. Вони є міцним матеріалом, який під дією механічних впливів не руйнується. Крім того, вони добре працюють на вигин і розтягування. Це стало можливим завдяки замкнутій каркасної структурі. Їх застосування не обмежується однією галуззю. Трубки знайшли застосування в автомобілебудуванні, електроніці, медицині та енергетиці.
Величезним недоліком є \u200b\u200bнегативний вплив на здоров'я людини.
Частинки нанотрубок, потрапляючи в організм людини, призводять до виникнення злоякісних пухлин і раку.
Істотною стороною є фінансування цієї галузі. Багато людей не хочуть вкладатися в науку, так як для отримання прибутку необхідно багато часу. А без функціонування науково-дослідних лабораторій розвиток нанотехнологій неможливо.
висновок
Вуглецеві нанотрубки грають важливу роль в інноваційних технологіях. Багато фахівців прогнозують зростання даної галузі в найближчі роки. Буде спостерігатися значне зростання виробничих можливостей, що призведе до зниження вартості на товар. Зі зменшенням ціни, трубки будуть користуватися величезним попитом, і стануть незамінним матеріалом для багатьох пристроїв і обладнання.
Отже, ми з'ясували, що собою представляють дані вироби.
Вуглецеві нанотрубки (УНТ) - перспективний матеріал, який планується використовувати в широкому спектрі галузей - від виробництва велосипедів до мікроелектроніки. Однак навіть мінімальне порушення атомної структури УНТ призводить до падіння їх міцності на 50%. Це ставить під сумнів можливість будівництва космічного ліфта з матеріалу на основі вуглецевих нанотрубок.
16.10.2015, Андрій Барабаш 29
Команда дослідників зі Стенфордського університету, можливо, здійснила науковий прорив, який зможе змінити життя людей-ампутантів. Вчені розробили штучний замінник шкіри, який здатний відчувати дотики і передавати цю інформацію нервовій системі. Подібна технологія може бути використана при створенні футуристичних протезів, які будуть вбудовані в людську нервову систему. Крім того, ця технологія дозволить людям не тільки відчути дотику, але і визначити їх силу.
Вуглецеві нанотрубки - завтрашній день інноваційних технологій. Виробництво і впровадження нанотубуленов дозволить поліпшити якості товарів і виробів, значно знизивши їх вага і збільшивши міцність, а також наділивши новими характеристиками.
Що собою являють вуглецеві нанотрубки
Вуглецеві нанотрубки або тубулярная наноструктура (нанотубулен) - це штучно створені в лабораторних умовах одне або багатостінні порожні циліндричні структури, отримані з атомів вуглецю і володіють винятковими механічними, електрофізичними і фізичними властивостями.
Вуглецеві нанотрубки виходять з атомів вуглецю і мають форму трубок або циліндрів. Вони дуже маленькі (на нанорівні), з діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох сантиметрів. Вуглецеві нанотрубки складаються з графіту, але володіють іншими, не властивими графіту характеристиками. Вони не існують в природі. Їх походження має штучну основу. Тіло нанотрубок синтетичне, створюване людьми незалежно від початку до кінця.
Якщо подивитися на збільшену в мільйон разів нанотрубку, то можна побачити витягнутий циліндр, що складається з рівносторонніх шестикутників з атомами вуглецю на своїх вершинах. Це згорнута в трубку графітова площина. Від хиральности нанотрубки залежать її фізичні характеристики і властивості.
Збільшена в міліон раз нанотрубка являє собою витягнутий циліндр, що складається з рівносторонніх шестикутників з атомами вуглецю на своїх вершинах. Це згорнута в трубку графітова площина
Хіральність (англ. Chirality) - властивість молекули не поєднувати в просторі зі своїм дзеркальним відображенням.
Якщо попонятнее, то хіральність - це коли звертаєш, наприклад, аркуш паперу рівно. Якщо навскіс, то це вже ахіральность. Нанотубулени можуть мати одношарову і багатошарову структури. Багатошарова структура - це ніщо інше, як кілька одношарових нанотрубок, «одягнених» одна на одну.
Історія відкриття
Точна дата відкриття нанотрубок і їх першовідкривач невідомі. Ця тема є їжею для суперечок і міркувань, так як існує безліч паралельних описів цих структур вченими з різних країн. Основна складність в ідентифікації першовідкривача полягає в тому, що нанотрубки і нановолокна, потрапляючи в поле зору вчених, тривалий час не привертали їх пильної уваги і ретельно не досліджувалася. Існуючі наукові роботи доводять, що можливість створення нанотрубок і волокон з вуглець матеріалів теоретично допускалася ще в другій половині минулого століття.
Основна причина, по якій тривалий час не проводилися серйозні дослідження мікронних вуглецевих сполук, полягає в тому, що на той момент вчені не мали достатньо потужною науковою базою для досліджень, а саме не було обладнання, здатного в потрібному ступені збільшувати об'єкт вивчення і просвічувати їх структуру .
Якщо розташувати події по дослідженню наноуглеродістих з'єднань в хронологічному порядку, то перше свідчення доводиться на 1952 рік, коли радянськими вченими Радушкевічем і Лук'яновичем було звернуто увагу на нановолокністую структуру, утворену при розкладанні термічним способом оксиду вуглецю (російська назва - окис). Спостерігається з допомогою електронно-мікроскопічного обладнання структура мала волокна діаметром близько 100 нм. На жаль, далі фіксації незвичайної наноструктури справа не пішла і подальших досліджень не було.
Після 25 років забуття починаючи з 1974 року інформація про існування мікронних трубчастих структур з вуглецю починає потрапляти в газети. Так, групою японських вчених (Т. Койям, М. Ендо, А. Оберлін) під час досліджень в 1974-1975 рр. були представлені широкій публіці результати ряду своїх досліджень, в яких містився опис тонких трубок з діаметром менше 100 Å, які були отримані з парів при конденсації. Також освіту пустотілих структур з описом будови і механізму освіти, отриманих при дослідженні властивостей вуглецю, описані радянськими вченими інституту каталізу СО АН СРСР в 1977 році.
Å (Агстрём) - одиниця вимірювання відстаней, рівна 10-10 м. У системі СІ одиницею, близькою за величиною до Ангстрем, є нанометр (1 нм \u003d 10 Å).
Фулерени - порожнисті, сферообразних молекули в формі кулі або м'яча для регбі.
Фулерени - четверта, раніше невідома, модифікація вуглецю, відкрита англійським хіміком і астрофізиком Харолда Крото І тільки після використання в своїх наукових дослідженнях новітнього обладнання, що дозволяє детально розглядати і просвічувати вуглецеву структуру нанотрубок, японським ученим Суміо Іджімой (Sumio Iijima) в 1991 році були проведені перші серйозні дослідження, в результаті яких вдалося отримати досвідченим шляхом вуглецеві нанотрубки і детально їх дослідити .
У своїх дослідженнях професор Іджіма для отримання досвідченого зразка впливав на розпорошений графіт електродуговим розрядом. Прототип був ретельно вимірі. Його розміри показали, що діаметр ниток (каркаса) не перевищує декількох нанометрів, при довжині від одного до декількох мікрон. Вивчаючи структуру вуглецевої нанотрубки, вченим було встановлено, що досліджуваний об'єкт може мати від однієї до кількох шарів, що складаються з графітової гексагональної сітки на основі шестикутників. При цьому кінці нанотрубок структурно нагадують розсічений надвоє половинку молекули фулерену.
На момент проведення вищевказаних досліджень вже існували роботи таких відомих у своїй області вчених, як Джонса, Л.А. Чернозатонского, М.Ю. Корнілова, котрі пророкують можливість утворення даної аллотропной форми вуглецю, що описують її будова, фізичні, хімічні та інші властивості.
Багатошарова структура нанотрубки це ніщо інше, як кілька одношарових нанотубуленов, «одягнених» одна на одну за принципом російської матрьошки електрофізичні властивості
Електрофізичні властивості вуглецевих нанотрубок знаходяться в стадії найпильнішої вивчення вченими спільнотами усього світу. Проектуючи нанотрубки в певних геометричних співвідношеннях, можна надати їм провідникові або напівпровідникові властивості. Наприклад, алмаз і графіт є вуглецем, але внаслідок відмінності в молекулярній структурі мають різні, а в деяких випадках протилежними властивостями. Такі нанотрубки називають металевими або напівпровідниковими.
Нанотрубки, які проводять електричний струм навіть при абсолютному нулі температур, є металевими. Нульова провідність електричного струму при абсолютному нулі, яка зростає з підвищенням температури, вказує на ознаку напівпровідникової наноструктури.
Основна класифікація розподіляється за способом згортання графітової площині. Спосіб згортання позначається двома числами: «m» і «n», які задають напрямок згортання по векторах графітової решітки. Від геометрії згортання графітової площині залежать властивості нанотрубки, наприклад, кут скручування безпосередньо впливає на їх електрофізичні властивості.
Залежно від параметрів (n, m) нанотрубки бувають: прямі (ахіральние), зубчасті ( «крісло»), звивисті і спіральні (хіральні). Для розрахунку і планування електропровідності використовують формулу співвідношень параметрів: (n-m) / 3.
Ціле число, що отримується при розрахунку, свідчить про провідності нанотрубки металевого типу, а дробове - напівпровідникової. Наприклад, металевими є все трубки типу «крісло». Вуглецеві нанотрубки металевого типу проводять електричний струм при абсолютному нулі. Нанотубулени напівпровідникового типу мають нульовий провідність при абсолютному нулі, яка зростає з підвищенням температури.
Нанотрубки з металевим типом провідності орієнтовно можуть пропускати мільярд ампер на квадратний сантиметр. Мідь, будучи одним з кращих металевих провідників, поступається нанотрубок за цими показниками більш ніж в тисячу разів. При перевищенні меж провідності відбувається нагрів, який супроводжується плавленням матеріалу і руйнуванням молекулярної решітки. З нанотубуленамі при рівних умовах цього не відбувається. Це пояснюється їх дуже високу теплопровідність, яка перевищує показники алмазу в два рази.
За показниками міцності нанотубулен також залишає інші матеріали далеко позаду. Він міцніше найміцніших сплавів стали в 5-10 разів (1,28-1,8 ТПА по модулю Юнга) і володіє пружністю в 100 тисяч разів вище ніж каучук. Якщо порівняти показники межі міцності, то вони перевищують аналогічні характеристики міцності якісної сталі в 20-22 рази!
Як отримують УН
Нанотрубки отримують високотемпературного та низькотемпературного способами.
До високотемпературним можна віднести способи лазерної абляції, солярний технології або електродугового розряду. Низькотемпературний спосіб увібрав в себе хімічне осадження з парової фази з використанням каталітичного розкладання вуглеводнів, газофазне каталітичне вирощування з монооксиду вуглецю, виробництво шляхом електролізу, термообробка полімеру, місцевий низькотемпературний піроліз або місцевий каталіз. Всі способи складні для розуміння, високотехнологічні і дуже затратні. Виробництво нанотрубок може собі дозволити тільки велике підприємство з потужною науковою базою.
Спрощено, процес отримання нанотрубок з вуглецю дуговим способом виглядає наступним чином:
У нагрітий до певної температури з замкнутим контуром реактор через ін'єкційний апарат вводиться плазма в газоподібному стані. У реакторі, у верхній і нижній частині, встановлюються магнітні котушки, одна з яких є анодом, а інша катодом. На магнітні котушки подається постійний електричний струм. На що знаходиться в реакторі плазму впливають електричною дугою, яку обертають і магнітним полем. Під дією високотемпературної електроплазменной дуги з поверхні анода, який складається з вуглець матеріалу (графіту), випаровується або «вищёлківается» вуглець і конденсується на катоді у вигляді вуглецевих нанотрубок, що містяться в осаді. Для того щоб атоми вуглецю мали можливість конденсуватися на катоді, температуру в реакторі знижують. Навіть короткий опис цієї технології дозволяє оцінити всю складність і витратність отримання нанотубуленов. Пройде ще чимало часу, перш ніж процес виробництва і застосування стане доступним для більшості підприємств.
Фотогалерея: Схема і обладнання для отримання нанотрубок з вуглецю
Установка по синтезу одностінних вуглецевих нанотрубок електродуговим способом 
Наукова установка невеликої потужності для отримання тубулярной наноструктури 
Низькотемпературний спосіб отримання 
Установка для отримання довгих вуглецевих нанотрубок
Токсичні чи?
Однозначно, так.
В процесі лабораторних досліджень вчені прийшли до висновку, що вуглецеві нанотрубки негативно впливають на живі організми. Це, в свою чергу, підтверджує токсичність нанотрубок, і все рідше доводиться вченим сумніватися в цьому важливому питанні.
Як показали дослідження, пряму взаємодію вуглецевих нанотрубок з живими клітинами призводить до їх загибелі. Особливо одношарові нанотрубки мають сильну протимікробну активність. Досліди вчені почали проводити на поширеною культурі царства бактерій (кишкова паличка) Е-соli. У процесі досліджень були застосовані одношарові нанотрубки діаметром від 0,75 до 1,2 нанометрів. Як показали проведені досліди, в результаті впливу вуглецевих нанотрубок на живу клітину відбувається пошкодження механічним способом клітинних стінок (мембран).
Нанотрубки, одержувані іншими способами, містять в собі велику кількість металів та інших токсичних домішок. Багато вчених припускають, що сама токсичність вуглецевих нанотрубок не залежить від їх морфології, а пов'язана безпосередньо з домішками, що містяться в них (нанотрубках). Однак проведені роботи вчених з Єля в області дослідження нанотрубок показали хибне уявлення багатьох співтовариств. Так, бактерії кишкової палички (Е-соli) в процесі досліджень піддавалися обробці одношаровими вуглецевими нанотрубками протягом однієї години. В результаті велика частина Е-соli загинула. Дані дослідження в галузі наноматеріалів підтвердили їх токсичність і негативний вплив на живі організми.
Вчені прийшли до висновку, що найбільш небезпечними є одношарові нанотрубки, це пов'язано з пропорційним відношенням довжини вуглецевої нанотрубки до її діаметру.
Різні дослідження в частині впливу вуглецевих нанотрубок на організм людини привели вчених до висновку про тотожній впливі, як і в разі потрапляння азбестових волокон в організм. Ступінь негативного впливу азбестових волокон безпосередньо залежить від їх розміру: чим менше, тим негативний вплив сильніше. А в разі вуглецевих нанотрубок і сумніватися не доводиться в їх негативний вплив на організм. Потрапляючи в організм разом з повітрям, нанотрубка через плевру осідає в грудній клітці, тим самим викликаючи важкі ускладнення, зокрема, ракові пухлини. Якщо проникнення в організм нанотубуленов відбувається через їжу, то вони осідають на стінках шлунка і кишечника, викликаючи різні захворювання і ускладнення.
В даний час вченими проводяться дослідження з питання біологічної сумісності наноматеріалів і пошуку нових технологій безпечного виробництва вуглецевих нанотрубок.
перспективи
Вуглецеві нанотрубки займають широку сферу застосування. Це пов'язано з тим, що вони мають молекулярну структуру в вигляді каркаса, що дозволяє тим самим мати властивості, що відрізняються від алмаза або графіту. Саме завдяки своїм особливостям (міцність, провідність, вигин) вуглецеві нанотрубки застосовуються частіше, в порівнянні з іншими матеріалами.
Застосовується це вуглецеве винахід в електроніці, оптиці, в машинобудуванні і т. Д. Вуглецеві нанотрубки використовують як добавки до різних полімерів і композитів для посилення міцності молекулярних сполук. Адже всім відомо, що молекулярна решітка вуглецевих з'єднань має неймовірну міцність, тим більше в чистому вигляді.
Вуглецеві нанотрубки використовуються також у виробництві конденсаторів і різного роду датчиків, анодів, які необхідні для виготовлення батарейок, в ролі поглинача електромагнітних хвиль. Широке застосування це вуглецеве з'єднання знайшло в сфері виготовлення телекомунікаційних мереж і рідкокристалічних дисплеїв. Також нанотрубки використовуються в якості підсилювача каталітичних властивостей у виробництві освітлювальних пристроїв.
комерційне застосування
| ринок | застосування | Властивості складів на основі вуглецевих нанотрубок |
| Автомобілі | Деталі паливної системи і топлівопроводи (з'єднувачі, деталі насоса, ущільнювальні кільця, трубки), зовнішні кузовні деталі для електрозабарвлення (бампери, корпуси дзеркал, кришки паливних баків) | Покращений баланс властивостей в порівнянні з технічним вуглецем, здатність до переробки для великих частин, стійкість до деформації |
| електроніка | Технологічні інструменти та обладнання, касети для напівпровідникових пластин, конвеєрні стрічки, об'єднавчі блоки, обладнання для чистих кімнат | Підвищена чистота сумішей в порівнянні з вуглецевими волокнами, контроль питомої опору поверхні, здатність до обробки для відливання тонких частин, стійкість до деформації, збалансованість властивостей, альтернативні можливості пластмасових сумішей в порівнянні з вуглецевих волокон |
Вуглецеві нанотрубки не обмежені певними рамками щодо застосування в різних галузях промисловості. Матеріал винайдений відносно недавно, і, в зв'язку з цим, в даний час широко застосовується в наукових розробках і дослідженнях багатьох країн світу. Це необхідно для більш детального вивчення властивостей і характеристик вуглецевих нанотрубок, а також налагодження масштабного виробництва матеріалу, так як в даний час він займає досить слабкі позиції на ринку.
Для охолодження мікропроцесорів застосовують вуглецеві нанотрубки Завдяки хорошим проводять властивостям використання вуглецевих нанотрубок в машинобудуванні займає широкий спектр. Цей матеріал використовують в якості пристроїв по охолодженню агрегатів, що мають масивні розміри. В першу чергу це пов'язано з тим, що вуглецеві нанотрубки мають високий питомий коефіцієнт теплопровідності.
Застосування нанотрубок в розробках комп'ютерних технологій займає важливу роль в електронній промисловості. Завдяки застосуванню цього матеріалу налагоджено виробництво по виготовленню досить плоских дисплеїв. Це сприяє випуску комп'ютерної техніки компактних розмірів, але при цьому не втрачаються, а навіть збільшуються технічні характеристики електронно-обчислювальних машин. Застосування вуглецевих нанотрубок в розробках комп'ютерних технологій і електронної галузі дозволить досягти виробництва обладнання, яке в рази перевищуватиме за технічними характеристиками нинішні аналоги. На основі даних досліджень вже зараз створюються високовольтні кінескопи.
Перший процесор з вуглецевих нанотрубок проблеми використання
Одна з проблем застосування нанотрубок полягає в негативному впливі на живі організми, що ставить під сумнів використання цього матеріалу в медицині. Деякі з експертів припускають, що в процесі масового виробництва вуглецевих нанотрубок можуть виникнути неоцінених ризики. Тобто в результаті розширення областей застосування нанотрубок виникне потреба в їх виробництві в широких масштабах і, відповідно, виникне загроза довкіллю.
Вчені пропонують шукати шляхи вирішення цієї проблеми в застосуванні більш екологічно чистих методів і способів виробництва вуглецевих нанотрубок. Також було запропоновано виробникам цього матеріалу серйозно підійти до питання «очищення» наслідки СVD-техпроцесу, що, в свою чергу, може позначитися на збільшенні вартості продукції, що випускається.
Фото негативного впливу нанотрубок на на клітини а) клітини кишкової палички до впливу нанотрубок; b) клітини після впливу нанотрубок У сучасному світі вуглецеві нанотрубки вносять вагомий внесок в області розвитку інноваційних технологій. Фахівці дають прогнози щодо збільшення в найближчі роки виробництва нанотрубок і до зниження цін на дану продукцію. Це, в свою чергу, розширить сфери застосування нанотрубок і збільшить споживчий попит на ринку.
