Рост углеродных нанотрубок CVD методом
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?ижается с ? 1 TПа до ? 100 ГПа если диаметр увеличивается от 3 до 20 нм [14].
Стоит отметить, что структура многих кристаллических материалов быстро теряется под воздействием частых изгибов. УНТ, в свою очередь, очень гибки, и не теряют структуру, если подвержены частым перегибаниям [13].
УНТ имеют интересный отклик на магнитное поле. И теория и эксперимент подтверждают переходы металл-изолятор, возникающие в УНТ под воздействием магнитного поля, Рисунок 1.9.
Рисунок 1.8 - А - УНТ с различной степенью дефектности; Б - Значение модуля Юнга, для изображённых УНТ [13]
Рисунок 1.9 - Электросопротивление как функция от магнитного поля, направленного вдоль МСУНТ. Стрелками отмечено максимальное сопротивление, соответствующее умножению минимального значения h/2e в магнитном потоке разной величины [13]
Большое значение длины свободного пробега фонона в УНТ обуславливает их высокую теплопроводность, которая сопоставима с теплопроводностью листа графена или с теплопроводностью высокочистого алмаза или даже выше, составляя значение в 6000 Вт/мК (теплопроводность термопасты, используемой для отвода тепла от процессоров в обычных ПК, составляет 0.6 - 0.8 Вт/мK). Но это значение может снизиться до 200 Вт/мK, если УНТ не упорядочены или плохого качества [13].
Наличие углеродных пентагонов на концах бездефектных УНТ обуславливает появление дополнительных уровней для электронов, в результате чего электроны могут быть легко оторваны от УНТ. Таким образом, УНТ могут быть использованы как источник электронов для устройств, основывающихся на полевой эмиссии электронов. Рисунок 1.10 иллюстрирует пороговую энергию эмиссии электронов и соответствующую интенсивность выхода электронов для трёх видов источников электронов [22].
Рисунок 1.10 - Преимущество УНТ эмиттера перед эмиттером Шоттки и CFEG эмиттером
Идеальный эмиттер имеет низкое значение пороговой энергии и высокую интенсивность излучения электронов Br
Но к сожалению, почти все уникальные свойства УНТ проявляются только вдоль направления их оси, что само по себе также является их свойством.
УНТ являются гидрофобными и не смачиваются большим числом водных растворов. Имеются упоминания, что УНТ могут смачиваться некоторыми органическими растворами на основе, HNO3, S, Cs, Rb, Se, и различными оксидами, как например Pb и Bi2O2. Капиллярное давление УНТ пропорционально диаметру полости (1/D). Возможно заполнение УНТ не смачивающим её раствором, если применить давление, превышающее её капиллярное давление [13].
1.4 Основные методы получения УНТ
Имеется огромное количество методов синтеза УНТ, три наиболее распространённых будут кратко описаны ниже.
1.4.1 Метод дугового разряда
Принцип этого метода заключается в испарении углерода в присутствии катализатора (железо, кобальт, никель, или иттрий) при пониженном давлении инертного газа. После поджога электрической дуги загорается плазма, состоящая из паров углерода, инертного газа и паров металла катализатора. Испарение углерода - это следствие переноса энергии от электрической дуги к графитовому аноду, содержащему катализатор. Схема оборудования электрической дуги представлена на рисунке 1.11.
Рисунок 1.11 - Оборудование для дугового разряда: более толстый катод 13, на котором происходит осаждение сажи, отделён от анода расстоянием примерно в 1 мм
Во время испарения анод испаряется и механически подводится к катоду для поддержания заданного зазора. Напряжение составляет 20 - 25 В, а токи достигают значений 50 - 120 А. Оптимальное давление гелия для получения УНТ - 500 мм. рт. ст. (фуллерены получаются при давлении, преимущественно ниже - 100 мм. рт. ст.). Для синтеза МСУНТ катализатор не требуется. Нанотрубки находятся во внешнем слое получаемого на катоде осаждения [13].
Иижима [1] был первым, кто открыл безкаталитическое образование МСУНТ данным методом. Если добавить в анод 1 - 5 массовых% каталитического металла (Ni, Co, Y, в особенности смеси Ni/Co и Ni/Y), то это приведёт к образования ОСУНТ. Катализатор может быть или гомогенно распределён по объёму анода (сложный процесс изготовления анода), или другим способом, высверлить в аноде отверстие и заполнить его графитовым порошком, содержащим катализатор [14]. Но, несмотря на наличие или отсутствие катализатора, МСУНТ всегда присутствуют в получаемой саже. Недостаток данного метода состоит в том, что сырая сажа содержит много углеродных образований помимо УНТ: аморфный углерод, графитовые частицы, многослойные структуры, углеродные нанооболочки, частицы катализатора и УНВ. Сырая сажа, содержащая УНТ, получаемая в дуговом разряде, требует долгой и сложной процедуры отчистки. Качество и выход УНТ сильно зависит от условий синтеза и от природы катализатора.
Без катализатора выход МСУНТ может составлять до 5 - 30%, диаметр безкаталитических МСУНТ составляет 5 - 20 нм. Использование ? 3 массовых% катализатора Ni/Y или Ni/Co даёт в результате ОСУНТ длинной ? 5 и ? 20 мкм соответственно; выход обеспечивается на уровне 30 - 70%. Диаметр ОСУНТ, получаемых в дуговом разряде, составляет 1.2 - 1.4 нм.
Имеются попытки использовать в качестве заправки для анода не графитовый порошок с катализатором, а алмазный порошок с катализатором, это может увеличить выход до + 230% [14].
1.4.2 Лазерная абляция
Сегодня используется два типа лазеров для производства УНТ: пульсирующие лазеры и непрерывные лазеры, последние обеспечивают меньший результат. Принцип метода пр