Графен, фуллерены и наноматериалы

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#31   morozov » Чт авг 16, 2012 1:41

Анизотропия дираковских фермионов в сверхрешетках из графена

Линейный изотропный закон дисперсии квазичастиц в графене (рис.1a) делает графен уникальным объектом, как для исследования необычных физических явлений, так и для разработки новых электронных устройств. Но с чисто технологической точки зрения не так-то просто “вырезать” или “вытравить” из графена наноструктуры надлежащей формы и размера. В работе теоретиков из США и Южной Кореи [1] показано, что, прикладывая к графену периодический потенциал, можно изготовить одномерные (рис.1b) и двумерные (рис.1c) сверхрешетки с очень сильной анизотропией электрических свойств в двух взаимно перпендикулярных (и параллельных поверхности) направлениях. Более того, в одном из этих направлений групповая скорость носителей заряда может даже обращаться в нуль (как это имеет место, например, в одномерной сверхрешетке с L = 10 нм, w = 5 нм и высотой барьеров U » 0.7 эВ (рис.1b)). Таким образом, открывается возможность “неразрушающего изготовления” графеновых нанолент. Помимо анизотропной перенормировки скорости, ширина запрещенной зоны в сверхрешетках из графена тоже оказывается анизотропной. Все эти вместе взятые анизотропии приводят к резкому изменению топологии поверхности Ферми при изменении уровня Ферми (то есть концентрации носителей), что позволяет управлять различными физическими характеристиками графена, такими как теплоемкость, проводимость, магнитосопротивление и пр. Авторы [1] показали, что все полученные ими результаты нечувствительны к конкретному виду периодического потенциала и остаются справедливыми, например, для потенциалов синусоидального и гауссова типов. Теперь дело за экспериментом.


Изображение

Рис.1 (a) Слева – фрагмент графена и его зона Бриллюэна с двумя неэквивалентными дираковскими точками
(K и K/); справа – закон дисперсии вблизи одной из дираковских точек.

(b) Слева – одномерная сверхрешетка в графене, образованная периодическим вдоль оси x потенциалом типа Кронига-Пенни (L – период, w – ширина барьеров); справа – закон дисперсии вблизи одной из дираковских точек (в направлении оси x групповая скорость частицы остается неизменной, а в направлении оси y – уменьшается).

(c) Слева – двумерная сверхрешетка в графене, образованная потенциалом ячеистого типа (“muffin-tin”), периодическим в направлениях x и y с периодами Lx и Ly соответственно (диски диаметром d играют роль барьеров); справа – закон дисперсии вблизи одной из дираковских точек.

Л.Опенов



1. C.-H. Park et al., Nature Phys. 4, 213 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#32   morozov » Ср авг 22, 2012 21:25

Сверхпроводимость фуллеритов: достигнут ли предел?

Известно, что допирование фуллеритов C60 щелочными металлами (A) приводит к возникновению сверхпроводимости. Критическая температура Tc в A3C60 увеличивается с ростом радиуса ионов A+ (то есть с ростом расстояния между молекулами C60) от 19 К при A = K [1] до 33 К при A = Rb [2]. Так как максимальный радиус имеет ион Cs+, то и максимальную Tc можно ожидать в Cs3C60. До сих пор этот фуллерит не удавалось синтезировать в чистом виде. Вообще допированные фуллериты A3C60 обычно синтезируют в твердой фазе, либо получают из раствора соответствующих прекурсоров в жидком аммиаке. В обоих случаях образцы состоят из мелких гранул, и даже если они являются более или менее однофазными, объем “мейснеровской фракции” не превышает нескольких процентов [1,2].

Изображение
Рис. 1. Зависимость Tc от давления для Cs3C60. На вставке – зависимость доли сверхпроводящей (мейснеровской) фракции от давления.

Изображение
Рис. 2. А15 и ГЦК – два возможных типа кристаллической структуры A3C60.

В работе [3] сотрудники нескольких университетов Великобритании сообщили об успешном синтезе объемных образцов Cs3C60 с использованием метиламина в качестве растворителя. Сверхпроводимость в них появляется при гидростатическом сжатии, причем Tc зависит от давления P немонотонно и имеет максимум 38 К при P ≈ 7 кбар (рис. 1). Доля мейснеровской фракции очень высока и достигает 70% (вставка на рис.1). Интересно, что K3C60 и Rb3C60 имеют ГЦК структуру, тогда как в Cs3C60 наблюдается структура типа А15 (рис.2). Примечательно сходство зависимостей Tc от P в Cs3C60 и Tc от концентрации носителей в купратных ВТСП. Теперь в распоряжении исследователей имеются качественные образцы, и весь арсенал современных экспериментальных методик может быть использован для исследования особенностей сверхпроводящего состояния допированных фуллеритов. Достигнута ли в Cs3C60 предельная Tc? Что касается фуллеритов из фуллеренов C60 – по-видимому, да. Но ведь есть и другие фуллерены, из которых тоже можно попытаться изготовить сверхпроводящие фуллериты или полимеры [4].

1. Nature 350, 600 (1991).

2. Nature 352, 222 (1991).

3. Nature Mater. 7, 367 (2008).

4. Письма в ЖЭТФ 87, 447 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#33   morozov » Сб авг 25, 2012 20:35

1. J.C.Meyer et al., Nature 454, 319 (2008).

Углеродные наноматериалы защищают природу

Лето. Пора отпусков... Несмотря на капризы погоды, мы больше времени проводим в саду или лесу, отдыхаем на берегу реки, озера или у моря… И так хочется, чтобы природа продолжала радовать людей и в будущем. ПерсТ не обходил стороной возможные экологические проблемы, связанные с перспективами применения углеродных наноматериалов (УНМ). Но сейчас, наверное, подходящий момент сказать и доброе слово. Тем более что недавно в печати (пока в электронном виде) появился обзор американских ученых, посвященный полезному для окружающей среды применению УНМ [1].
Изображение
В обзоре рассматривается как «превентивное» применение УНМ (для предотвращения деградации окружающей среды, улучшения здравоохранения, оптимизации энергетической эффективности), так и «ретроактивное» (восстановление, повторное использование сточных вод, борьба с уже существующими загрязнениями). Авторы начинают с того, что дают описание основных УНМ (рис.1) и их свойств, важных для защиты окружающей среды (форма, размер, удельная поверхность; молекулярные взаимодействия и сорбционные свойства; электронные, оптические и термические свойства). Эти во многом уникальные свойства позволяют применять УНМ в качестве фильтров, сорбентов, противомикробных средств, создавать на их основе сенсоры для мониторинга окружающей среды, повышать эффективность возобновляемых источников энергии. В обзоре представлены уже достигнутые результаты, а также обсуждаются возможные перспективные направления работ.

Изображение
Рис.1. Различные углеродные наноматериалы

Сорбенты. Фильтры. Уникальные сорбционные свойства позволяют использовать УНМ для очистки сточных вод (и в перспективе питьевой воды). Наносорбенты на основе углерода с высоким отношением поверхности к объему и контролируемой химией поверхности преодолевают многие ограничения, присущие традиционным сорбентам. УНМ отличаются не только высокой сорбционной емкостью, но и быстрой кинетикой, работают в широком диапазоне рН. Возможности применения УНМ для очистки питьевой воды пока изучаются мало, хотя эти сорбенты, безусловно, должны быть еще более эффективны, чем традиционно используемые активированные угли. Пока в основном исследована очистка воды от таких вредных примесей как полициклические ароматические углеводороды, нафталин. Функционализация УНМ обеспечивает удаление конкретных микрозагрязнений, очистку от примесей, имеющих чрезвычайно низкую концентрацию, а также позволяет удалять неорганические примеси, эффективно сорбировать ионы тяжелых металлов (свинца, кадмия [2]). Область их применения не ограничивается растворами. Напомним, например, что была продемонстрирована эффективность использования углеродных нанотрубок (УНТ) в сигаретных фильтрах для поглощения никотина [3].

УНМ могут быть использованы не только как непосредственно сорбенты, но и как основа для оксидов или макромолекул. Такие «композитные» сорбенты могут поглощать комплексы, металлы, радионуклиды. Пример – декорирование УНТ наночастицами СеО2 для удаления Cr и арсенатов; аморфным оксидом алюминия – для поглощения фторидов; полипирролом – для отделения перхлоратов.

Еще в 1997г. были предложены мембранные фильтры, в которых ориентированные («прямые») нанотрубки служили порами в непроницаемой матрице. На основе УНТ могут быть созданы мембраны, сочетающие высокую проницаемость и селективность [4]. Оптимизация мембран может быть достигнута путем изменения диаметра пор, гидрофобных свойств поверхности, функционализации кончиков УНТ.

Такие мембраны могут быть использованы для обработки воды - как для нанофильтрации, так и для обессоливания (для которого традиционно применяются полимерные мембраны, работающие по принципу обратного осмоса). Пока, однако, на практике продемонстрирована только нанофильтрация. Возможно, это связано с тем, что радиус ионов натрия меняется в диапазоне от 0,178 до 0,358 нм (в зависимости от температуры, рН раствора и других условий), и для обессоливания нужны мембраны из одностенных нанотрубок (ОСНТ) с очень малым диаметром.

Мембраны и фильтры из УНТ, безусловно, перспективны, но изготавливать их очень трудно. Другое дело композитные нанофильтры. Предлагаются разные варианты. Например, многостенные УНТ (в том числе оксидированные) могут быть внедрены в поверхностный слой обычного полимерного фильтра, повышая прочность и долговечность и в то же время увеличивая проницаемость по отношению к воде. Композиты, использующие уникальные свойства УНМ (нанотрубок, фуллеренов), отличаются не только увеличением потока, но также противомикробной активностью и термостабильностью. ОСНТ с успехом могут применяться в гибридных регенерируемых керамических фильтрах (рис.2), которые позволяют удалять из воды патогенные микроорганизмы.

Изображение
Рис.2. Пример гибридного фильтра, состоящего из пористой керамической подложки и верхнего УНТ - слоя.

Такие фильтры долговечны, термостойки, могут быть многократно использованы на местах очистки воды. Однако прежде чем расширять области применения, надо разработать методы иммобилизации УНМ. Один из ранее предложенных вариантов – непосредственный синтез МСНТ на поверхности металлического фильтра для очистки воздуха.

Противомикробные средства. Ученые надеются использовать уникальную противомикробную активность УНМ для решения вопросов защиты природы и здоровья человека. Определенные классы УНМ могут оказаться полезными для дезинфекции воды, медицинской помощи, создания антимикробных покрытий, для микробиологических исследований. Активно ведутся работы по изучению токсичности УНТ в отношении различных микробных сообществ (в том числе представляющие большой интерес для создания систем очистки питьевой воды). УНТ могут служить носителями для антимикробных частиц Ag. Суспензии nC-60 проявляют антибактериальную активность по отношению к многим бактериям при различных окружающих условиях.

Сенсоры для защиты окружающей среды. О различных сенсорах на основе УНТ было достаточно много написано в ПерсТе. Для мониторинга окружающей среды чрезвычайно важны чувствительные и быстродействующие химические, биологические и другие сенсоры. Они позволяют определять очень малые концентрации вредных примесей в воздухе и воде, обнаруживать патогенные микробы. Создание сети наносенсоров усилит безопасность в быту, позволит оперативно реагировать на появление микробов в питьевой воде, расширит возможности мониторинга подповерхностной биодеградации.

УНМ для возобновляемых источников энергии. Самой перспективной областью применения, по мнению авторов [1] является солнечная энергетика. Уникальные электронные и оптические свойства УНТ и фуллеренов позволяют создавать новые, более эффективные материалы и устройства для улавливания, хранения и преобразования солнечной энергии.

УНМ важны и для водородной энергетики. Результаты многих исследований показали, что используя УНТ и нановолокна можно значительно улучшить характеристики электрокатализаторов, необходимых для работы топливных элементов.

Авторы обзора [1] отмечают, что УНМ помогают в решении вопросов охраны природы и косвенным образом. Их использование в химии в качестве катализаторов, носителей, реагентов, в мембранах повышает эффективность многих процессов, сберегает энергию. Это же относится и к их использованию в электронике.

Применяя УНМ для защиты окружающей среды, необходимо понимать, что эта фаза – фаза их использования - является всего лишь частью полного «жизненного» цикла от создания до утилизации. Зелёная химия, зелёная технология требуют учета всех фаз. Преимущество УНМ заключается еще и в том, что на их основе могут быть созданы композиты с повышенной прочностью, сроком работы, что дает минимизацию потока материала за время жизненного цикла. Кроме того, их можно регенерировать или вторично использовать в другом качестве – например, отработанные наносорбенты можно применить для упрочнения композитов. Но, конечно, еще предстоит оптимизировать условия производства УНМ, используя более «зеленые» методы синтеза и очистки.

О.Алексеева

M.S. Mauter, M. Elimelech, Environ. Sci. Technol. 42, 5843 (2008).

ПерсТ 14, вып.12/13, с.6 (2007)

ПерсТ 13, вып.9, с.6 (2006).

ПерсТ 14, вып.22/23, с.9 (2007).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#34   morozov » Вт авг 28, 2012 12:55

Технологичный графен

После первых сенсационных сообщений в 2004 г. об экспериментальном исследовании графена (монослой графита) [1] к нему сохраняется огромный научный и практический интерес. Научный интерес вызван совершенно необычной зонной структурой: носители заряда (электроны и дырки) имеют нулевую эффективную массу. Практический интерес вызван тем, что в совершенном графене ожидается огромная подвижность носителей, подобная подвижности в углеродных нанотрубках, т.е. порядка 100 000 см2/В·с при комнатной температуре. Пока, правда, получено 10 000 см2/В·с. Все равно это на порядок выше, чем подвижность носителей в чистом кристаллическом кремнии. Высокая подвижность, в конечном итоге, обуславливает высокое быстродействие приборов, например, транзисторов. Следует заметить, что привлекательным является не только однослойный истинный графен, но и графен, состоящий из нескольких слоев (FLG). У него, в отличие от истинного графена, уже есть запрещенная зона, как у обычных полупроводников. Наличие запрещенной зоны позволяет сделать ток закрытого состояния полевого транзистора весьма малым, что важно для больших логических схем.
Однако первые структуры из графена были крайне нетехнологичными. Чешуйки графита осаждали на подложку (обычно это был слой оксида кремния на кремнии). Среди них были и однослойные (истинный графен), и двухслойные, и многослойные. Потом их «нашаривали» атомно-силовым микроскопом и наносили сверху металлические электроды. Ясно, что для практических целей такая технология совершенно не годилась. Естественной мечтой стала эпитаксиальная технология: выращивание слоя графена непосредственно на подложке.

Изображение
Рис. 1. Спектры рамановского рассеяния для графита на SiO2 (внизу),
графена на виртуальной подложке (в середине) и графена на SiO2 (вверху).

Японские исследователи из Tohoku University и CREST совсем недавно добились выдающегося результата [2] в этом направлении. Вообще-то, эпитаксиальным ростом графена на карбиде кремния SiC занимаются с 1995 г. Однако подложки из этого материала неудобны. Предпочтительны кремниевые подложки, которые и используются в современной микроэлектронной промышленности. Компромисс состоит в том, что на кремниевой подложке вначале выращивают слой SiC (т.н. виртуальная подложка), а потом на нем – графен. Единственный тип SiC, который растет на кремнии - это (3С-)SiC. Всего же политипов карбида кремния порядка 200. Авторы выбрали особую ориентацию кремниевой подложки ((110) вместо (111)), чтобы кристаллическая симметрия поверхности согласовывалась с сотовой структурой графена. К сожалению, симметрия хорошая, но рассогласование постоянных решеток составляет 20%. Это приводит к напряжениям, а они, в свою очередь - к дефектам. С помощью некоторых уловок авторам удалось снизить температуру процесса эпитаксии на 200°С и получить рекордно совершенные слои графена, о чем свидетельствует малая ширина пиков на спектрах рамановского рассеяния (рис. 1).

В.Вьюрков

Автор признателен В.И.Рыжию за предоставленный материал.

1. K. S. Novoselov et al. Science 306, 666 (2004).

2. M. Suemitsu et al. Presented at 14th Int. Conf. Solid Films and Surfaces, Dublin,
June 30, 2008 (submitted to e-Journal of Surface Science and Nanotechnology).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#35   morozov » Пн сен 03, 2012 0:22

Эксперимент наконец-то подтвердил экстраординарную прочность нанотрубок

На протяжении всей истории существования человечества не прекращался поиск новых материалов с более совершенными механическими характеристиками. В память о достигнутых на этом пути успехах нам остались названия соответствующих эпох: каменный, бронзовый, железный века…. После открытия углеродных нанотрубок в литературе стала обсуждаться возможность их использования для изготовления сверхпрочных материалов нового поколения. Теория предсказывала, что твердость и прочность нанотрубок значительно выше, чем у всех известных конструкционных материалов [1], но экспериментально это очень долго подтвердить не удавалось.

В работе [2] сотрудников Northwestern University и Los Alamos National Laboratory впервые показано, что нанотрубки действительно являются такими же прочными, как и предсказывают квантово-механические расчеты. Более того, авторы [2] обнаружили, что предел прочности многостенных нанотрубок можно еще повысить за счет контролируемого формирования связей между соседними стенками. Это достигается путем облучения нанотрубок электронами. В отличие от предыдущих работ, в [2] поведение нанотрубок при механической нагрузке было изучено посредством просвечивающей (а не сканирующей) электронной микроскопии.

Изображение
Схематические зависимости механических напряжений от деформации для двух классов материалов: хрупких (вверху) и пластичных (внизу). Эксперимент показывает, что углеродные нанотрубки относятся к первому из них, тогда как расчеты говорят об обратном.

Первым практическим применением углеродных нанотрубок в материаловедении станет, по-видимому, их использование для укрепления полимерных композитов. Пока этому препятствует сравнительная дороговизна нанотрубок, а также еще нерешенная проблема, связанная с тенденцией нанотрубок образовывать связки, вместо того чтобы быть равномерно диспергированными по полимерной матрице. Кроме того, слабым звеном здесь могут оказаться границы раздела между нанотрубками и матрицей: именно на таких границах зарождаются трещины, распространяющиеся затем по всему образцу и приводящие к его разрушению. Если все эти барьеры удастся преодолеть, то … наступит Нанотрубочный Век!

Л.Опенов

1. S.Ogata, Y.Shiputani, Phys. Rev. B 68, 165 (2003).

2. B.Peng et al., Nature Nanotechn. 3, 626 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

FENIMUS
Сообщения: 984
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#36   FENIMUS » Пн сен 03, 2012 21:35

Веком нанороботов нас уже пугали...)

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#37   morozov » Вт сен 04, 2012 19:01

Нарушение закона Фурье в случае теплопроводности нанотрубок

По аналогии с законом Ома для электропроводности проводящих материалов закон Фурье для теплопроводности является эмпирическим правилом, согласно которому коэффициент удельной теплопроводности (thermal conductivity) образца не зависит от его размеров, в то время как проводимость (thermal conductance) обратно пропорциональна его продольному размеру. В случае одномерных материалов, типичным представителем которых является углеродная нанотрубка (УНТ), указанная закономерность может нарушаться, что связано с возможным вкладом в перенос тепла фононного баллистического механизма. Хотя понимание причины такого нарушения было достигнуто уже несколько лет назад, до сих пор не было получено экспериментальное доказательство отклонения от закона Фурье в конкретных условиях. Прямой эксперимент подобного рода был поставлен недавно в University of California, Berkeley (США). В эксперименте использовали многослойные УНТ диаметром от 10 до 33 нм, полученные стандартным электродуговым методом, а также нанотрубки из нитрида бора (НТНБ) длиной до 10 мкм и диаметром 30–40 нм. Отдельную нанотрубку помещали с помощью пьезоманипулятора в тестовое устройство, которое вводилось в камеру сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Тестовое устройство содержало подвешенные пластины из SiNx, а также пленочные Pt резисторы, которые служили одновременно и нагревателями, и датчиками температуры. Теплопроводность нанотрубки определяли в результате подачи определенной мощности на нагреватель и измерения температуры с помощью датчика. Геометрию образца определяли с помощью СЭМ. При измерении теплопроводности образцов нанотрубок использовали контакты прямоугольной формы из соединения платины (CH3)3(CH3C5H4)Pt. Зависимости термосопротивления от длины образца удается получить, проводя последовательные измерения теплопроводности при различных положениях одного из контактов вдоль нанотрубки. Эти зависимости существенно отклоняются от прямой линии, что указывает на нарушение закона Фурье для теплопроводности нанотрубок. Так, образец УНТ длиной 5 мкм, термосопротивление которого составляет 5,87х107 К/Вт, характеризуется возрастающей степенной зависимостью термосопротивления от длины с показателем степени β = 0,6, в то время как в случае выполнения закона Фурье β = 0. Для образца НТНБ длиной 5,33 мкм, термосопротивление которого составляет 7,71х107 К/Вт, β = 0,4. При этом величина контактного термосопротивления для обоих образцов находится на уровне 25% от полного термосопротивления.

Интересно отметить, что наблюдаемое отклонение от закона Фурье для теплопроводности нанотрубок имеет место даже при условиях, когда средняя длина пробега фононов lp при их упругом рассеянии много меньше длины нанотрубки L. Так, оценки lp, выполненные на основе измерений коэффициента теплопроводности, дают величину lp ≈ 30–50 нм, что значительно превышает длину исследованных нанотрубок.

А.В.Елецкий

1. C.W.Chang et al., Phys. Rev. Lett. 101, 075903 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#38   morozov » Пн сен 10, 2012 1:14

Бумага из нанотрубок методом прокатки

Благодаря своим уникальным свойствам углеродные нанотрубки (УНТ) уже давно привлекли внимание исследователей, работающих над созданием новых материалов для катализаторов, фильтров, электродов, конденсаторов и др. Особенно удобно для этих целей использовать макроскопические пластины из нанотрубок – так называемую бумагу, или buckypaper, которая в идеале должна иметь такие же хорошие механические, электрические и термические свойства, как и отдельные нанотрубки. Обычно такой материал получают путем фильтрации суспензии из нанотрубок с последующим промыванием и сушкой. Так, например, были получены макроскопические пластинки из одностенных УНТ, которые при работе в физиологических условиях (в соленой воде) и низком напряжении проявили характеристики, сопоставимые или даже превосходящие соответствующие характеристики натуральных мышц [1]. Но, к сожалению, и в этом, и в других случаях эффективность использования получаемой бумаги ограничена. Ее свойства (модуль упругости, тепло- и электропроводность) заметно уступают свойствам отдельных нанотрубок. В основном это связано с тем, что нанотрубки в бумаге искривлены, спутаны, ориентированы случайным образом. Поэтому очень важно разработать эффективные методы их ориентирования. Предлагаются различные пути, например, с использованием магнитного поля, но они довольно сложны, а помогают улучшить характеристики лишь частично.

Новую методику получения бумаги из УНТ недавно разработали китайские исследователи [2]. Они предложили использовать принцип домино! «Сухой» in-situ метод действительно прост и эффективен. Он позволяет получать из ориентированных нанотрубок толстые плотные листы большой площади.

Изображение
Рис.1. Схема принципа домино: а - формирование бумаги из ориентированных нанотрубок; b - отделение бумаги от подложки; c - отделение бумаги от микропористой мембраны.

Рассмотрим предложенный способ подробнее. Сначала методом химического газофазного осаждения (CVD) на кремниевой подложке (обычно круг диаметром 10 см) «выращивают» густой «лес» многостенных нанотрубок высотой более 100 мкм. Затем применяется принцип домино (рис.1). Массив нанотрубок покрывают микропористой мембраной и «прокатывают» с помощью небольшого стального валика, сплющивая «лес» (а). Силы Ван-дер-Ваальса притягивают нанотрубки друг к другу. Образуется плотная бумага. С помощью микропористой мембраны она легко отделяется от подложки (b). Мембрану, в свою очередь, можно отделить, пропитав ее этанолом (c).

Результаты исследования нового материала с помощью электронной микроскопии подтвердили, что использование принципа домино позволило получить более плотный материал, состоящий из хорошо ориентированных нанотрубок. Типичный вид сбоку выращенного массива УНТ высотой 500 мкм, а также отдельная нанотрубка диаметром 15 нм представлены на рис.2а. Поверхность бумаги, полученной из этого массива методом прокатки, показана на рис.2b.

Изображение
Рис.2. а - вид сбоку массива УНТ; b - поверхность бумаги, полученной из этого массива.

ИзображениеИзображение
На рис. 3 (a,b) представлены фотографии бумаги, полученной по описанной выше методике. Поверхность бумаги очень гладкая, а сама бумага настолько прочная и гибкая, что ученые смогли сложить из нее лебедя-оригами (рис.3с). Но, конечно, материалу можно найти более важное применение.

Изображение
Рис.3. a,b - Круглые образцы полученной бумаги.
с - лебедь из “buckypaper.

Эффективная теплопроводность материала в направлении ориентирования нанотрубок равна 331 Вт/(м К), что хотя и намного ниже теплопроводности индивидуальной нанотрубки, но выше, чем у Al и близко к величине для Cu, и лучше полученных ранее результатов. В поперечном направлении теплопроводность равна 72 Вт/(м К), а для образца случайным образом ориентированных нанотрубок - 81 Вт/(м К). Эти свойства могут оказаться полезными для решения проблем отвода тепла в микроэлектронике. Электропроводность нового материала в направлении ориентирования нанотрубок также оказалась выше, чем у прежних образцов.

Такие материалы с контролируемой структурой, по мнению авторов [2], наиболее перспективны для электродов суперконденсаторов.

О.Алексеева

1. ПерсТ 9, вып. 24, с.2 (2002).

2. D.Wang et al. Nanotechnology 19, 075609 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#39   Юрий381 » Пн сен 10, 2012 15:07

Господа!
А вот кто может на доступном языке описать суть дираковских частиц? Просто в последнее время обнаружилось что чуть ли не во всех гексагональных структурах они есть (например графин), и это какбы следует из двух подрешеток. При этом, также стало известно, что графен сам по себе является полупроводником, и запрещенная зона у него ненулевая (нулевой она становится при наличии подложки). Так как тогда понять, если ли там "хиральный конденсат" или он появляется только при условии нулевой запрещенной зоны? Как связана сила электрон-фононного взаимодействия с двухрешеточностью?

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#40   morozov » Пн сен 10, 2012 16:31

Ну и вопросики....
Из моих знакомых это разве только prof_umoriarty ответит и то вряд ли. Скорее всего опять пошлет, ибо есть какая-то некорректность в вопросах... я так думаю.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#41   Юрий381 » Пн сен 10, 2012 17:06

ну так мне и нужно прояснить в чем тут некоректность - в литературе весьма противоречивая информация. то пишут что дираковские частицы это следствие понижения размерности (что самое удивительное что помимо них возможно появление "энионов" не подчиняющихся ни ферми ни дираку!) то пишут что это следствие двухрешоточности, а то и просто рисуют дираковский конус с нулевой запр.зоной., ну и всем известен факт о сильном эл.фононном взаимодействии - вот и поди разберись! интересует именно поведение графена с ненулевой зап.зоной - каковы будут свойства зарядовго транспорта?

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#42   morozov » Пн сен 10, 2012 17:22

Я половину этих слов просто не знаю... чего-то не разбирает любопытство... своих тем хватает.
Тем более надо к Белоненке (Михаил Борисович) если задавать вопрос в форме вопроса (без собственных догадок), то это должно выглядеть пристойно. Пробуйте в личку ЖЖ.. prof_umoriarty
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#43   Юрий381 » Пн сен 10, 2012 17:41

спасибо!
в личку писать я пока повременю - надо более четкий обзор статей сделать, чтобы не выглядеть полным ламером...

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#44   morozov » Пн сен 10, 2012 20:35

Разумно... Борисыч - мужик не простой, не надо обращать на его выражения... в сети он просто душу отводит... а в жизни уже и в галстуке появляется.
Может на путь правильный и не направит, но вот на неправильны не даст встать... возможно в грубой форме.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32949
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#45   morozov » Вт сен 11, 2012 0:32

Квантование Ландау в графене

Если металлический проводник поместить в магнитное поле, то электроны будут циркулировать по циклотронным орбитам, которые соответствуют квантованным уровням Ландау. В обычном металле и в двумерном электронном газе на границе раздела двух полупроводников эти уровни расположены эквидистантно, что является одним из следствий параболического закона дисперсии носителей заряда E(p)=p2/2m* (а другими словами – следствием линейной зависимости скорости носителей v=p/m* от их квазиимпульса p). В графене закон дисперсии совершенно другой, как у фотонов: E(p)=с*p, где скорость квазичастиц с* ≈ 106 м/с не зависит от p. Теория предсказывает, что это должно приводить к корневой зависимости энергии уровня Ландау En от номера уровня n. Таким образом, графен интересен не только как потенциальная основа наноэлектроники, но и с фундаментальной точки зрения – как материал, электронные характеристики которого принципиально отличаются от свойств металлов и полупроводников.
Изображение
Схематическое изображение закона дисперсии E(k) и уровней Ландау LLn в графене. ED – дираковская точка.

Экспериментально квантование Ландау в графене впервые наблюдалось методом сканирующей туннельной микроскопии образцов, выращенных на карбиде кремния [1]. При T = 4.3 К были зарегистрированы осцилляции туннельной магнитопроводимости, анализ которых позволил определить энергии уровней Ландау с точностью около 3 мэВ. Экспериментальные данные полностью согласуются с теорией, включая наличие в спектре так называемого “нулевого” уровня Ландау, энергия которого равна энергии дираковской точки, находящейся на стыке электронного и дырочного конусов в законе дисперсии (см. рис.). Величина E0 не зависит от магнитного поля, тогда как En ~ (|n|B)1/2, где n>0 для электронов и n<0 для дырок. При сканировании вдоль монослоя графена в работе [1] было обнаружено достаточно плавное изменение E0 в пределах нескольких мэВ на длине ~ 100 нм, что авторы объясняют флуктуациями локального электростатического потенциала.


1. D.L.Miller et al., Science 324, 924 (2009).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»