Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 16 из 24

Глава 5. Углеродные наноструктуры. Получение углеродных наноструктур

Со дня открытия углеродных нанотрубок (УНТ) Ишимой в 1991 году разработано множество методов их выращивания, которые можно классифицировать по двум основным направлениям: высокотемпературному и среднетемпературному. Высокотемпературный метод основан на испарении графита тем или иным способом, например лазером или дуговым разрядом. Среднетемпературные методы – это методы химических транспортных реакций.

При высокотемпературных методах получения графит испаряется при температурах выше температуры возгонки (32000^оC). Высокотемпературные методы разделяются на две основные группы: дуговой разряд между графитовыми электродами и испарение импульсным лазером.

На рис. 5.5 а приведена схема выращивания УНТ в дуговом разряде. При дуговом разряде один из графитовых электродов (анод) содержит частицы катализаторов, а именно Fe, Ni, Co или редкоземельные элементы. Реактор дугового разряда состоит из цилиндра диаметром 30 см и длиной порядка 1 м. Из реактора предварительно откачивается воздух, а потом объем заполняется рабочим инертным газом, давление которого составляет порядка 600 мбар. Поджигается дуговой разряд с током более 60 А.

Рис. 5.5. Высокотемпературные методы выращивания УНТ: а) в дуговом разряде; б) лазерным испарением

УНТ можно получать, испаряя графитовый электрод с катализатором лучом лазера в потоке инертного газа (рис. 5.5 б). При этом УНТ осаждаются на медный, охлаждаемый водой, электрод. Метод химических транспортных реакций заключается в осаждении УНТ при пиролизе углеводорода, например ацетилена, в присутствии катализатора. В этом случае температура выращивания трубок составляет 700-900^оС.

Температура роста и вещество катализатора влияют на свойства трубок. На рис. 5.6 приведены снимки УНТ, выращенных при двух температурах, сделанные электронным микроскопом.

Рис. 5.6. Получение УНТ различных размеров при изменении температуры роста: а) 7500C; б) 9000C

Считается, что нанотрубки открыты в течение всего процесса роста, и атомы углерода присоединяются к открытому концу (рис. 5.7).



Рис. 5.7. Схема механизма роста углеродной нанотрубки (белые шарики – атомы углерода структуры, черные шарики – димеры C2 и тримеры C3). На открытом конце происходит рост, поглощение C2 и C3

Последовательное присоединение димеров C2 (два атома углерода) приводит к непрерывному росту нанотрубок. Иногда требуются тримеры C3 (три атома углерода), чтобы добавлять шестиугольники и не формировать пятиугольники. Введение пятиугольников приводит к искривлению, которое закрыло бы нанотрубку и закончило бы рост. Появление семиугольника приводит к изменениям в размере трубки и её ориентации в пространстве. Таким образом, введение пар «пятиугольник-семиугольник» может разнообразить структуры трубок, что очень часто наблюдается экспериментально. Последние научные результаты показывают, что УНТ растет из капли катализатора, в качестве которого выступает металл подгруппы железа. Фуллерены выращиваются аналогичными методами.

Карбины получают методами отслаивания графеновых плоскостей. Для этого используют чистый графит либо карбид кремния. Это химическое соединение состоит из чередующихся слоев углерода и кремния. Кремниевый слой растворяют, а углеродный моноатомный слой отделяется. Проблема состоит в том, как его сохранить, так как он деформируется и разрушается. Выход был найден, когда слой поместили на подложку из окиси кремния. В этом случае он достаточно устойчив, и его можно исследовать. Однако при этом свойства подложки и особенно её дефекты влияют на свойства полученного «бутерброда».