Рост углеродных нанотрубок CVD методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ываться углеродными нановолокнами (УНВ) [14].
Рисунок 1.4 - Морфология ёлкообразных (a) и бамбукоподобных (б) УНВ [14]
На сегодня точно установлено, что во многих случаях рост УНТ (как ОСУНТ так и МСУНТ) требует присутствия катализатора [13, 14 - 20], а именно наночастиц переходных металлов, либо сплавов этих металлов (безкаталитический рост МСУНТ так же возможен [13, 14]). Морфология поверхности наночастиц металла катализатора играет огромную роль на структуру растущей УНТ. Принципиальное пояснение представлено на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 - Морфология МСУНТ (a), и УНВ (б, в), выросших на частицах катализатора различной формы [17]
Пример МСУНТ, выросших в PECVD реакторе, представлен на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 - Вертикально ориентированные МСУНТ, выращенные в PECVD реакторе [15]
Необходимо так же упомянуть, что помимо различных структурных вариаций МСУНТ и ОСУНТ иногда имеют место структурные переходы от одной УНТ в две УНТ, эти переходы могут иметь форму таких букв как T, Y или L. Подобные переходы могут быть проводящими, полупроводящими или изолирующими [13].
1.3 Основные свойства УНТ
Экспериментально установлено, что УНТ обладают уникальными свойствами, но прежде, чем описывать эти свойства, необходимо кратко описать причину их возникновения:
Алмаз это достаточно твёрдый материал, в котором все четыре электрона каждого атома углерода занимают sp3 орбиталь и создают четыре равноценные ковалентные ? связи, соединяясь с четырьмя другими атомами углерода в четырёх тетраэдральных направлениях. Такое трёхмерное взаимосвязывание обеспечивает высокую твёрдость. Прочность ? связи углерода в sp3 конфигурации составляет 360 ккал / моль, и составляет 0.15 нм в длину, в то время как в sp2 конфигурации 420 ккал / моль и 0.14 нм, соответственно. То есть в плоскости графит прочнее чем алмаз. УНТ, где графитовые плоскости свёрнуты в трубки, позволяют протестировать прочность sp2 гибридизированных атомов углерода. Имеются экспериментальные доказательства того, что МСУНТ обладаю прочностью на разрыв, достигающей значения 150 ГПа, а Модуль Юнга (МЮ) достигает значений 1000-1200 ГПа (0.4 ГПа и 208 ГПа соответственно для стали, таблица 1.1) [13].
sp2 тип гибридизации атомов углерода предполагает, что все атомы находятся в одной плоскости с одним ?-электроном от каждого атома располагающимся вне этой плоскости. Этот ?-электрон свободен и обеспечивает электропроводность графита (взаимодействие этого ?-электрона со светом обуславливает чёрный цвет графита). В случае УНТ, когда графеновый лист свёрнут в трубку, sp2 тип гибридизации атомов перегибридизируется > в направлении sp3 конфигурации (рисунок 1.7). Это делает все ?-электроны более свободными, что обуславливает высокую электропроводность УНТ [13]. Максимально достижимый ток на УНТ может достигать значений 109 A/см2 - на три порядка больше, чем может обеспечить медь [14]; в частности, МСУНТ могут обеспечить 107 A/см2 без выделения тепла [14].
Рисунок 1.7 - Аллотропии углерода: алмаз, графит, нанотрубка, и фуллерен.
Перегибридизация атомов углерода из sp2 конфигурации в подобие sp3 конфигурации в УНТ обуславливает их уникальные электрические, механические, магнитные и химические свойства. Электрические свойства УНТ привлекают наибольшие внимание исследователей. Нанометровые размеры и высокая осевая симметрия обуславливают наличие у УНТ квантовых эффектов. Теоретические расчёты и последующие экспериментальные измерения [13] подтверждают, что ОСУНТ, связки из ОСУНТ и МСУНТ, имеют свойства квантовой нити. Так же является фактом то, что УНТ могут быть как полупроводниковыми так и металлическими по типу электропроводности. В УНТ вдоль оси или вдоль направления вектора С (рисунок 1.1), имеется периодическое ограничение для волнового вектора. Это ограничение квантует волновой вектор k = (kx, ky) вдоль этого направления. Возможно значение k, удовлетворяющее условию kC = 2?q, где q целое число. Это ведёт к условию, при котором возможна металлическая проводимость:
.
Это выражение означает, что одна треть всех трубок - металлические, а две трети - полупроводниковые. Запрещённая зона полупроводниковой трубки определяется по формуле:
,
где: ? параметр, обуславливающий длину свободного пробега электрона.
Таким образом, запрещённая зона ОСУНТ диаметром 1 нм составляет от 0.7 до 0.9 эВ. Данное значение согласуется с экспериментально измеренными значениями, полученными с помощью СТМ [21].
Проводимость ОСУНТ, связок ОСУНТ и МСУНТ определяется выражением:
,
где: Go = (12.9 k?)-1 - квантованная проводимость; M - число каналов проводимости, включая электрон-электронные взаимодействия и эффекты возникающие в связках ОСУНТ; M = 2 для идеальной ОСУНТ [13].
Как было сказано ранее, МЮ и прочность на разрыв у УНТ очень высоки, и эти значения практически не зависят от хиральности. Таблица 1.1 представляет значения МЮ и прочности на разрыв для некоторых заданных материалов [13], а рисунок 1.8 иллюстрирует зависимость МЮ МСУНТ в зависимости от степени дефектности.
Таблица 1.1 - Механические свойства УНТ и некоторых других материалов
СевКавГТУМодуль Юнга, ГПаПредел прочности, ГПаПлотность, г/см3МСУНТ >1200?1502.6ОСУНТ >1054751.3Связка из ОСУНТ >563?1501.3Графит (в плоскости) >3502.52.6Сталь >2080.47.8Алюминий >700.4552.78Дерево >160.080.6Эпоксидная смола >3.50.051.25
Модуль Юнга МСУНТ с?/p>