Классификация наноматериалов.

⇐ ПредыдущаяСтр 67 из 77Следующая ⇒

Наноматериалы сравнительно новый вид материалов, и их классификация проводится приимущественно по признакам, присущим наноматериалам.

По количественному содержанию наночастиц в материале наноматериалы делятся на наноструктурированные материалы и нанодисперсионные материалы.

Наноструктурированные материалы образованы из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. Они изотропны по макросоставу.

Нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нанообъекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра. Например, в нанопорошках нано-объекты разделены тонкими (часто – моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствующих агломерации наночастиц.

По характеру кристаллитной микроструктуры и составу наноматериалы подразделяют на две группы: простые наноматериалы и сложные наноматериалы. В каждой из групп могут быть как наноструктурированные так и нанодисперсные материалы.

К простым наноматериалам относятся приимущественно наноструктурированные материалы, содержащие в своем составе неупорядоченным (случайным) образом упакованные наноструктуры одинакового химического состава и размера. Как правило, такие материалы формируются на основе нанопорошков.

Группа простых наноструктурированных материалов велика, технологии их получения просты. К простым наноматериалам можно отнести наномодифицированные косметические материалы, защитные покрытия на текстильных материалах или других изделиях, смазочные покрытия, краски, лекарственные материалы, продукты питания, упаковочные материалы, бумагу, мембранные материалы, компактированые наноструктурированные керамики, разнообразные нанокомпозитные пленки, объемные нанокомпозитные материалы и т.д. Свойства простых наноструктурированных материалов определяются в значительной степени свойствами наноструктур, образующих объёмный потребительский продукт. Сами наноструктуры могут быть как однородными по химическому составу, простыми по форме и простыми по архитектуре, так и многокомпонентными и сложными по архитектуре. Простые наноструктурированные материалы – это материалы первого поколения. По мнению большинства экспертов, именно простые наноструктурированные материалы будут доминировать в сфере производства наноструктурированных материалов в ближайшие годы. По прогнозам именно на их долю будет приходиться 5 % мирового ВВП к 2015г.

Простые наноструктурированные материалы имеют улучшенные характеристики по сравнению с традиционными (ненаноструктурированными) материалами того же назначения. В большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур приводит к улучшению свойств материала.

Сложные наноструктурированные материалы можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы. Иерархически организованные материалы содержат субструктуры разного уровня масштаба, вложенные друг в друга (типа «русской матрешки»). Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно иерархически организованные материалы в будущем будут основными.

Биологические материалы относятся к «сложным» материалам и именно иерархичность их строения определяет их уникальные свойства и, в первую очередь, «разнообразие» их свойств при «однообразии» их химического состава. Примером искусственно созданных материалов, имеющих иерархическое строение, которые находят применение, являются фотонные кристаллы и микроструктурированные волокна.

По количеству измерений структурных составляющих наноматериалов, состовляющие классифицируют на:

§ нульмерные, квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);

§ одномерные, квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);

§ двумерные, квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов);

§ трехмерные, квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

По классификации наноматериалов имеются решения авторитетных конференций. По рекомендациям 7 Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие виды наноматериалов,:

• нанопороистые структуры;

• наночастицы;

• нанотрубки и нановолокна;

• нанодисперсии (коллоиды);

• наноструктурированные поверхности и пленки;

• нанокристаллы и нанокластеры.

В классификации по размерному фактору к наноматериалам отнесены наноразмерные плёнки, получаемые в научно-исследовательских лабораториях с пятидесятых годов двадцатого века.

Классификация наноматериалов предложена Глейтером. Классификация базируется на взаимосвязи вида наноструктурного объекта, его нахождения в материале с способом получения данного материала. Выделены две основных группы материалов.

1. Материалы, содержащие изолированные наноразмерные объекты:

• материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу. Материалы этой категории, полученные методами осаждения и конденсации, аэрозольными методами, используются, например, в полупроводниковой технике и как катализаторы

• материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Для получения такого слоя используются разные методы, например ионная имплантация и лазерная обработка. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, значительно улучшаются за счет создания в них наноструктуры

2. Массивные наноматериалы, которые разделены на два класса:

• наноматериалы, атомная структура и/или химический состав которых меняются по объему материала на атомном уровне. К таким материалам относятся стекла, гели, пересыщенные твердые растворы или имплантированные материалы получаемые преимущественно закалкой;

• наноматериалы, состоящие из наноразмерных блоков (кристаллитов), которые могут различаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией, химическим составом, и областей между соседними блоками (границы зерен).

Характер распределения наноразмерных объектов в материале положен в основу ёще ряда классификаций (рис. 12.4, 12.5.).

В классификации наноматериалов по Р. Зигелю выделены четыре группы наноматериалов нулевую, а также первую, вторую, третью:

О – атомные кластеры и наночастицы;

1 – многослойный материал;

2 – наноструктурное покрытие;

3 – объемные наноструктурные материалы

•

Рис 12.4. Классификация наноматериалов по Р. Зигелю: О – атомные кластеры и наночастицы; 1 – многослойный материал; 2 – наноструктурное покрытие; 3 – объемные наноструктурные материалы

В литературе часто используется классификация наноматериалов на четыре категории, при этом рассматриваются как характеристики наноразмерного объекта так и характеристики самого изделия.

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Рис. 12.5. Схема классификации наноматериалов по форме наноразмерных кристаллитов и их распределению в материале.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм.

В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Рис. 12.6. Основные виды нано- и микроструктурированных материалов по Е.А. Гудилину.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.

В классификации Е. А. Гудилина наноматериалы подразделены по их назначению, виду или способу получения (рис. 12.6.)

Фуллерены, фуллериты.

Углерод является достаточно распространенным элементом. В твердом состоянии в природе он присутствует в виде графита и алмаза. Искусственно были созданы также такие модификации углерода, как карбин и лонсдейлит. Последний был также обнаружен в составе метеоритов. В 1985 г. при исследовании паров графита, полученных испарением лазерным лучом при длительности лазерного импульса 5 нс с поверхности вращающегося графитового диска, были обнаружено наличие кластеров (или многоатомных молекул) углерода (рис. 12.7).

При последующих исследованиях этих образований выяснилось, что наиболее стабильными из обнаруженных соединений оказались молекулы с большим четным числом атомов, в первую очередь состоящие из 60 и 70 атомов - C₆₀ и C₇₀. Соединение C₆₀ имеет сферическую форму схожую с футбольным мячом, а C₇₀ - ближе к форме дыни (рис. 12.8).

Фуллерены представляют собой замкнутые молекулы углерода, в которых все атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Название фуллеренов связано с именем известного американского архитектора и математика Фуллера. Как архитектор он предложил строительные конструкции в виде многогранных сфероидов, предназначенные для перекрытия помещений большой площади, а как математик – использовал системный подход к анализу структур различного происхождения и показал, что структура является самостабилизирующейся системой.

Фуллерены отличаются необычной кристаллографической симметрией и уникальными свойствами. Все ковалентные связи у них насыщены, поэтому отдельные молекулы между собой могут взаимодействовать только посредством слабых сил Ван-дер Ваальса. Однако последних хватает, что бы построить из сферических молекул кристаллические структуры. Такие материалы называются фуллеритами. Стабильные молекулы характеризуются цепными конфигурациями, формирующимися из пяти- и шестичленных колец.

В большинстве случаев у них углеродные атомы имеют три пространственные связи (подобно фрагментам решетки алмаза). Длина и углы между связями также характерны для структуры алмаза.

В настоящее время научились получать легированные фуллерены, путем добавления к их молекулам других атомов или молекул, в том числе и помещением атома легирующего элемента во внутренний объем молекулы фуллерена. С использованием высокого давления или лазерного облучения существует возможность соединения двух фуллереновых молекул в димер или полимеризации исходной структуры мономеров.

Рис. 12.7. Времяпролетный масс-спектр углеродных кластеров, получаемых при лазерном испарении графита.

Рис. 12.8. Фуллереновые молекулы: а) C₆₀, б) C₇₀, в) прогноз молекулы фуллерена, содержащей более 100 атомов углерода.

Классическим способом получения фуллеренов является испарение в вакууме углерода с получением перегретого (до 10⁴ К) углеродного пара. Затем перегретый пар интенсивно охлаждают в струе инертного газа (например, гелия). В результате происходит осаждение порошка в котором присутствует значительное количество кластеров (молекулы) двух групп – малого размера с нечетным числом атомов углерода (до С₂₅) и большого размера с четным числом атомов ( C₆₀ и C₇₀). Далее с использованием, например, методов порошковой металлургии происходит их разделение. Тем более, что кластеры, относящиеся к первой группе не является стабильными образованиями. Подбирая параметры процесса возможно получение молекул и с большим числом атомов до С₁₀₀ и более (рис. 12.9).


Рис. 12. 9. Изображения фуллеренов составов от С60 до С540. Электронная микроскопия. Патент US6,509,095B1.

Для получения тонких композитных пленок (с толщиной 200 - 600 нм) на основе фуллереновой матрицы используется метод вакуумного термического напыления смеси заданного состава на подложки, например на GaAs. Смесь порошка С₆₀ с чистотой 99,98% и CdTe была приготовлена путём их совместного размельчения до 1 мкм и спекания при температуре 300^о С. Напыление проводили в вакууме при давлении 10^-6 Тор и температуре подложки около 160^о С. Полученные пленки не имели заметных пространственных неоднородностей химического состава.

Очень большая твердость фуллеренов позволяет производить из них фуллеритовые микро- и наноинструменты для обработки и испытаний сверхтвердых материалов, в том числе и алмазов. Например, фулеритовые пирамидки из С₆₀ используются в атомно-силовых зондовых микроскопах

для измерения твердости алмазов и алмазных пленок. Фуллерены также широко исследуются как материалы для электронно-оптической области применения. Фуллерены и соединения на их основе также являются перспективными материалами для создания наноструктур. Так в показано, что фуллереновые плёнки могут быть использованы для создания двумерных фотонных кристаллов. Причем оптические свойства фуллереновых пленок можно изменять за счет введения в них добавок полупроводниковых материалов, например CdSe и CdTe.

Углеродные нанотрубки.

Углеродные нанотрубки - протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, были открыты в 1991 году японским исследователем Иджимой. Углеродные нанотрубки —цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной от микрона до тысячи микрон, состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Первая нанотрубка была получена путём распыления графита в электрической дуге. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей составляет нанометры, десятки нанометров, а длина от десятков нанометров до нескольких микрон (рис.12.10). Имеются сведения получения нанотрубок длинной до 2мм и более.


Рис.12.10. Фотографии углеродных нано трубок, выполнены на просвечивающем электронном микроскопе фирмы JEOL. Масштаб шкалы 60 нм.(правый рисунок)

Разрезав нанотрубку вдоль продольной оси, было обнаружено, что она состоит из одного или нескольких слоёв, каждый из которых представляет гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода (рис. 12.10). Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. Нанотрубки бывают однослойные и многослойные, прямые и спиральные.

Структура нанотрубок. Идеальная нанотрубка - это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки - хиральность. Хиральность характеризуется 2 целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свёртывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Хиральность нанотрубки может быть также однозначно определена углом a, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Имеется множество вариантов свёртывания нанотрубок, но среди них выделяются те, в результате реализации которых не происходит искажения структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы, а=0 и а=300, что соответствует хиральности (m, 0) и (2n, n).

Рис.12.11. Примеры нанотрубок, схематические изображения.

Получение нанотрубок. В настоящее время наиболее распространённым является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500торр (Торр - внесистемная единица давления, равная EQ\f (1;760) части физической (нормальной) атмосферы, то есть 101325:760 = 133,322 (н/м², или паскаля), названный в честь Э. Торричелли). При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, формирующий нанотрубки углерода.

Максимальное количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность около 100А/см². В экспериментальных установках напряжение между электродами составляет около 15 – 25В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1 - 2 мм. В процессе синтеза ~ 90% массы анода осаждается на катоде. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя структуру, схожую с сотами.

Для разделения компонентов полученный осадок помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая после добавления воды подвергается разделению в центрифуге. Крупные частицы прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1:4 при температуре 750°C в течение 5 минут.

Алмаз, графит

Графен

Графитовая нанотрубка

Фуллерен

Рис. 12. 12. Изменение размерности углеродных образований.

В результате такой обработки получается лёгкий пористый материал, состоящий из многочисленных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной 10 мкм.

Возможности использования нанотрубок в молекулярной электронике неизмеримо возрастают при переходе от чисто углеродных к химически модифицированным нанотрубкам. Например, благодаря наличию цилиндрической полости внутрь углеродных нанотрубок, как было сказано, удается внедрить различные элементы, включая тяжелые металлы. Возможно добавление аддендов на внешнюю поверхность трубки.

Металлизированные нанотрубки. Расчеты металлизированных нанотрубок потребовали разработки нового квантово-химического метода (названного методом линеаризованных присоединенных цилиндрических волн). В этом методе принимается допущение, что система заключена в непроницаемый потенциальный барьер цилиндрической формы, причем в области атомов электронный потенциал сферически симметричен (практически совпадает с атомным), а в межатомном пространстве постоянен (рис.12.13). Тогда электронный спектр системы определяется свободным движением электронов в межатомном пространстве и рассеянием на атомных центрах.

Рис.12.13. Легированная металлом (цветные шарики) углеродная нанотрубка внутри цилиндрического потенциального барьера. I - область постоянного межатомного потенциала, II - область атомного потенциала. (При расчетах атомные сферы считаются касающимися друг друга.)

Как показали расчеты, внедрение переходных металлов в углеродные нанотрубки должно приводить к резкому возрастанию проводимости как полупроводниковых нанотрубок (за счет появления в запрещенной зоне электронных состояний металла), так и металлических (за счет повышения плотности состояний вблизи уровня Ферми - энергия, отделяющая занятые состояния от свободных). Все бор-азотные нанотрубки, в отличие от углеродных, независимо от их геометрии исходно должны быть широкозонными полупроводниками.

Исходная однотипность электронных свойств бор-азотных нанотрубок может быть полезна в технологическом плане, так как облегчает изготовление нанопроводов с более воспроизводимыми характеристиками. Если одну половину полупроводниковой нанотрубки заполнить металлом, а вторую оставить нетронутой, мы опять получим молекулярный гетеропереход металл-полупроводник. В случае бор-азотной нанотрубки это будет гетеропереход широкозонный полупроводник-металл, на основе которого можно конструировать нанодиоды и другие элементы, способные функционировать при высоких температурах.

Нанотрубки с аддендами. Гетеропереход может образоваться и при фторировании нанотрубок. Учет стерических и p-электронных взаимодействий при расчетах полной энергии фторированных нанотрубок показал, что присоединение атомов F с внешней стороны нанотрубки более выгодно, чем с внутренней. При этом атомы фтора должны присоединяться сначала к открытым концам нанотрубок, а затем выстраиваться вдоль образующей. При добавлении фтора на внешнюю поверхность трубки меняется сетка p-связей, а значит - электрические и другие физические свойства.

Освоение технологии получсения однослойных и многослойных углеродных нанотрубок позволяет создавать нанотрубки как с металлическим типом проводимости, так и с заданной запрещенной зоной. Соединение двух таких трубок будет образовывать диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора. Набор нанотрубок с заданным внутренним диаметром могут служить основой для создания молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости. Композиционные материалы с использованием углеродных нанотрубок будут иметь весьма важное значение в качестве защитных экранов от излучения и других важных конструкционных материалов ответственного назначения.

Связи между атомами углерода в графитовом листе являются самыми сильными среди известных, поэтому бездефектные углеродные трубки в 1.4 раза прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче стали! Одна из важнейших задач технологии в области новых углеродных материалов заключается в создании нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготовлять легкие композитные материалы предельной прочности для нужд техники нового века. Это силовые элементы мостов и строений, несущие конструкции компактных летательных аппаратов, элементы турбин, силовые блоки двигателей с предельно малым удельным потреблением топлива и т.п. В настоящее время научились изготавливать трубки длиной в десятки микрон при диаметре порядка одного нанометра. В отдельных опытах получены нанотрубки длиной до нескольких мм.

Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью – при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Основными областями в которых найдут применение нанотрубки являются следующие направления.

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

• Медицина.

• Сенсоры.

Графен.

Графе́н (англ. graphene) —двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомовуглерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Графен можно представить как одну плоскостьграфита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5·10³Вт·м⁻¹·К⁻¹ соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Рис. 12. 14. а. Суспензия производных углерода; б. «скомканная» поверхность графена, метод отшелушивания; фрагменты графеновой плёнки.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) (рис. 12.14.). Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. Всего известно более 7 способов получения графена.

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^[6] авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS₂, NbSe₂, Bi₂Sr₂CaCu₂O_x. Структура подобная графену получена для кремния и названа силицен.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.

· .

Рис. 12.15. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку (слева), слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга (справа).

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек (рис.12.15.). Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

Возможные области применения графена. Графеновый полевой транзистор, графеновыенаноленты. Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Возможно создание нового класса графеновойнаноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Для разработки стабильно работающих транзисторов необходимо решить проблемы существующего тока утечки и создание запрещённой зоны при рабочей температуре.

Графен может быть использован в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. NO₂. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NH₃, CO, H₂O, 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.

Графена перспективен 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-кислотныхаккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг).

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

На основе графена создана схема двумерного метаматериала, который может быть востребован в оптике и электронике.

Созданный опытный образец наноустройства из графеновой пленки, в которой искусственно созданы механические напряжения. Устройство действует как двухмерная линза для электронов. Сам по себе графен является превосходным проводником для электронов, которые, практически без сопротивления перемещаются вдоль его поверхности в любом направлении. Но механическое напряжение, вызывающее незначительные искажения кристаллической решетки графена, препятствуют движению электронов и искривляют их траекторию. Именно это свойство графена может использоваться для фокусировки потока электронов в невероятно тонкий пучок, точно так, как оптическая линза преломляет проходящий свет.

Для создания графеновой "электронной" линзы создали так называемый "ковер из деформированного графена". На подложку из карбида кремния содержащую периодические шестиугольные наноотверстия, нанесена обычная графеновая пленка, которая затем деформирована так, что она приняла форму шестиугольных отверстий. Изготовив несколько образцов таких линз, ученые обнаружили, что изменяя геометрию самой линзы, они могут управлять ее фокусным расстоянием.

Данная разработка, вероятно, найдет широкое применение в области быстродействующей электроники, где "напряженный" графен может выступать в качестве среды передачи, обеспечивающей информационный обмен между частями одной интегральной схемы. В отличие от обычных технологий, в которых электроны передвигаются по проводникам, которые не могут пересечься без замыкания, новый способ позволит реализовать теоретически бесконечное количество информационных каналов в одной и той же единице объема, или, правильнее, площади кристалла. Распространение электронов будет подобно распространению лучей света в вакууме сразу от нескольких источников, которые совершенно не мешают друг другу, несмотря на то, что они пересекаются друг с другом.

Рис. 12. 16. Электронная линза из деформированного графена.

Размерность процессоров.

Применение новых нанотехнологий позволило создать поколения процессоров Intel Core 2, содержащих сотни миллионов микроскопических 45, 32, 25-нанометровых транзисторов. В конструкции процессоров использован металлический гафний (рис.12.17, 12.18), который позволяет существенно сократить утечки тока, и обладает высоким емкостным сопротивлением, необходимым для обеспечения высокой скорости срабатывания транзистора. Применение гафния позволяет оптимизировать конструкцию и размеры процессоров и компьютеров, энергопотребление и затраты.

Новая производственная технология обеспечит более высокую скорость переключения транзисторов. На практике это означает повышение тактовой частоты ядер и системной шины и увеличение производительности без изменения уровня энергопотребления и тепловыделения. По сравнению с применяемыми новые технологии, использующие диэлектрики high-k, обеспечивают ряд преимуществ. На новой продукции достигается: увеличение плотности размещения транзисторов почти в два раза выше; уменьшение мощности переключения транзисторов примерно на 30%; увеличение скорости переключения транзисторов более чем на 20% или сокращение утечки мощности более чем в пять раз; уменьшение утечки мощности из оксида затворов транзисторов более чем в 10 раз, благодаря чему уменьшаются требования к энергопотреблению и увеличивается время автономной работы. Процесс разработки новых процессоров продолжается.


Рис. 12.17. Схема макропроцессора, изготовленного на основе 45-нанометровой производственной технологии (Intel).	Рис. 12.18. Электронное устройство сложной конфигурации. Величина чёрточки 10 микрон (DEMUX Devise, J.Degenhardt, University of Duisburg, Germany)

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 2781; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 62 63 64 65 666768 69 70 71 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!