Исследование электромагнитных свойств композитов на основе углерода трубчатой структуры
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
? хиральности (m, n) и углом ? дается соотношением
Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствует, в частности, углы ? = 0 (armchair конфигурация) и ? = 30 (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2n, n) соответственно. Структуры нанотрубок, отвечающие armchair и zigzag конфигурациям, показаны на рис. 2 (б), (в). На рис. 2 (г) приведена структура нанотрубки с индексами хиральности (10, 5).
Электрофизические свойства однослойных углеродных нанотрубок зависят от хиральности. В частности если выполняется соотношение
то удельное электросопротивление растет с ростом температуры (металлический ход удельного электросопротивления). Если это соотношение не выполняется, то у трубок наблюдается полупроводниковый ход удельного электросопротивления (т.е. с ростом температуры удельное электросопротивление экспоненциально падает).
Структура наблюдаемых экспериментально однослойных нанотрубок во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это отличие касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Этот дефект вносит существенный вклад в электрофизические свойства углеродных нанотрубок.
1.3 Многослойные углеродные нанотрубки
Наряду с однослойными углеродными нанотрубками интенсивно исследуют многослойные углеродные нанотрубки, которые представляют собой протяженные структуры, состоящие из нескольких свернутых вложенных друг в друга, графеновых слоев. Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на рис. 3. Структура типа русской матрешки (russian dolls) рис. 3 (а) представляют собой совокупность коаксиально вложенных в друг друга однослойных цилиндрических нанотрубок.
Рис. 3. Модели поперечных многослойных нанотрубок [5]: (a) русская матрешка, (б) шестигранная призма, (в) свиток.
Рис. 3 (б) представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведенных структур рис. 3 (в) напоминает свиток (scroll). Для всех структур на рис. 3 характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.
Реализация той или иной структуры многослойной нанотрубки в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой является структура типа русской матрешки рис. 3 (а). Работа проводилась с нанотрубками такой структуры. Многослойные углеродные нанотрубки обладают электрофизическими свойствами схожими со свойствами квазидвумерного графита [6].
Многослойные углеродные нанотрубки обладают различными дефектами. Разновидность дефектов зависит от способа получения нанотрубок. Дефекты влияют на концентрацию носителей тока, которые, в свою очередь, на проводимость материала с нанотрубками. В работе [7] проведен тщательный анализ дефектов при различных способах получения нанотрубок.
Рис. 4. Фотография многослойных углеродных нанотрубок, полученная при помощи просвечивающего электронного микроскопа.
Ниже перечислены возможные применения нанотрубок:
механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы;
применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы;
для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках;
капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки;
оптические применения: дисплеи, светодиоды;
медицина (в стадии активной разработки);
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 её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях;
трос для космического лифта;
листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные [10].
1.4 Композитные материалы
Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу элементов.
Механическое поведение композита определяется соотношением свойств элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора ис