Лекция подготовлена кандидатом педагогических наук, профессором кафедры ТФ и ИТО ОГПУ Ильясовой Т.В. 2010 г. - презентация

1 Лекция подготовлена кандидатом педагогических наук, профессором кафедры ТФ и ИТО ОГПУ Ильясовой Т.В г.

2

3 До 90-х гг. ХХ в. было известно, что у г л е р о д образует три а л л о т р о п н ы е формы: алмаз, графит, сажа. В 60-е гг. был описан одномерный вариант углерода – КАРБИН и гексагональная разновидность алмаза – ЛОНСДЕЙЛИТ

4 Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. С соседними атомами связь слабая. Такая с т р у к т у р а определяет свойства алмаза как с а м о г о т в е р д о г о вещества, известного на Земле. Рис.1

5 Атомы углерода в кристалле графита создают шестиугольные кольца, (подобно пчелиным сотам) и образуют прочную сетку. Сетки располагаются друг над другом слоями. Слои слабо связаны между собой. Такая структура (графитовые сетки) – определила специфические свойства графита: низкую твёрдость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

6 В 1985 г. обнаружена новая аллотропная форма углерода - ф у л л е р е н ы (многоатомные молекулы углерода Сn). Фуллерены были открыты американскими химиками- теоретиками. За их открытие Г. Крото, Р.Е. Смолли и Р.Ф.Керлу в 1997 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Нобелевская премия по химии По расчетам ученых, фуллерены - пустотелые углеродные "мячики" из 60 и более атомов - были вполне стабильны, но никто не знал, как их получить и где искать.

7 Астрономы обнаружили заранее предсказанные характерные спектральные линии фуллеренов в космосе - в атмосферах у г л е р о д н ы х з в ё з д - «красных гигантов». А затем и на Земле удалось их получить в пламени электриче- ской дуги. До 1992 года фуллерены получали только в лабораториях научных центров мира в мизерных количествах. В 1992 в п р и р о д н о м углеродном минерале – шунгите были обнаружены п р и р о д н ы е ф у л л е р е н ы. Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии, Мексике, и в каждом случае - на местах падения м е т е о р и т о в. Некоторые природные фуллерены заполне- ны атомами редкого для земных пород гелием-3. По мнению ученых, такие фуллере- ны могли образоваться только в космичес- ких условиях ( в « углеродных звездах» и их ближайшем их окружении. Шунгит

8 Схема установки для получения фуллеренов ( 1990 г. ) Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с f=60 Гц, при силе тока до 200 А, напряжении В. Кожух заполнял- ся гелием (для торможения атомов углерода). Поверхность медного кожуха, охлаж- даемого водой, покрывается испаряю- щейся графитовой сажей. Получаемый порошок соскабливают и выдерживают в течение нескольких часов в кипящем толуоле, Образуется темно- бурая жидкость. При выпаривании её во вращающемся испарителе осаждается мелко- дисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи. В нём содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%). Описанный метод получения фуллеренов стал называться «фуллереновая дуга». ДОКАЗАНО: в дуге фуллерен собирается из отде- льных атомов углерода (или фрагментов С 2 ) путём самоорганизации, а не свёртывания фрагментов углеродных плоскостей.

9 Самый симметричный и наиболее полно изученный из семейства фуллеренов ф у л л е р е н (C 60 ) - состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Толщина сферической оболочки = 0,1 нм, радиус молекулы С 60 = 0,357 нм. 1 нм = м С 60 получил название - б а к м и н с т е р ф у л л е р е н Доказано, что при комнатной темпера- туре молекулы С 60, в р а щ а ю т с я вокруг оси равновесия с частотой об/с. При понижении температуры вращение замедляется.

10 Происхождение термина "фуллерен" связано с именем американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего патент на полусферические архитектурные конструкции, состоящие из шестиугольников и пятиугольников. ЭКСПО- 67, Сокольники, МОСКВА

11 Низшие фуллерены с n < 60 неустойчивы как и гиперфуллерены ( С76, С84, С90, С96, С100, С110) и фуллерены-гиганты (С240, С540, С960). Все они также как С60 имеют форму замкнутой поверхности.

12 Молекула С 60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому молекулу фуллерена следует признать о р г а н и ч е с к о й м о л е к у л о й. Молекула фуллерена С 60 В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу благодаря пятиугольникам. Какова роль 5-угольников в структуре молекулы фуллерена?

13 Кристаллическая структура фуллерита К р и с т а л л, образованный молекулами фуллерена, получил название ф у л л е р и т. Это м о л е к у л я р н ы й кристалл, т.е. минимальным элементом его структуры является не атом, а м о л е к у л а углерода. Он относится к веществам, являю- щимся связующим звеном между органическими и неорганическими веществами.. Ф У Л Л Е Р И Т Чистый фуллерит необходимо хранить в темноте, т.к. под влиянием света он разлагается. Фуллерит имеет плотность 1,7 г/см 3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см 3 ) и алмаза (3,5 г/см 3 ). По электрическим свойствам он является полупроводником.

14 Самое интересное в фуллеренах п у с т о т а, которая остается в середине "футбольного мяча". Потому что в эту пустоту можно при желании поместить, что угодно: от газов до частей генов и др. фуллеренов. Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего. Фуллерен не токсичен, не подавляет здоровые клетки, а наоборот, помогает работать всем биологическим структурам организма. Все целебные свойства фуллерена в воде резко усиливаются. С 540

15 Физики используют фуллерены для создания органических солнечных батарей, химических лазеров и "молекулярных компьютеров", а также ультратвёрдых материалов и материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью. Химики используют фуллерены в качестве нового типа катализа- торов, смазок, поглотителей веществ, фильтров и др. Биологи и фармакологи используют шары фуллерена для доставки внутрь клетки и размещения на поверхности клеточных мембран самых различных веществ, включая антибиотики, витамины, гормоны, а также фрагменты генокода при создании трансгенных животных и растений. При этом "фаршированные" фуллерены, включив в свою внутрен- нюю полость другие молекулы, приобретают совершенно новые свойства!

16 В начале 1991 г. было установлено, что легирование¹ ф у л л е р и т а небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник.сверхпроводник Вскоре установили, что сверхпро- водимостью обладают многие ф у л л е р и т ы, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х 3 С 60, либо XY 2 С 60 (X,Y атомы щелочных металлов). Рекордсмен среди таких высокотемпературных с в е р х п р о в о д н и к о в - RbCs 2 С 60. Его Т кр. = 33 К ( С). Структура фуллерита с внедренным рубидием (сверхпроводимость).

17 Малые размеры, возможность при синтезе получать необходимую электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность делают углеродные наноструктуры новым материалом для производства рабочих элементов функциональных схем. Поэтому в настоящее время усилия ученых направлены на разработку технологии получения фуллеренов и нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом.

18 Фуллерены могут использоваться в технике, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптоэлектронике, машинном производстве, в создании новых компьютеров и др. Во всех случаях рабочие параметры оборудования значительно уменьшаются, качество повышается, технологии становятся более эффективными и простыми.

19 Почему велика роль ф у л л е р е н о в в н а н о т е х н о л о г и я х

20 Настоящий п р о р ы в в науке произойдет только тогда, когда мы научимся управлять о т д е л ь н ы м и а т о м а м и. (Р. Фейнман) Технологии, которые работают на уровне отдельных атомов и молекул, называются н а н о т е х н о л о г и я м и. Отцом этого перспективнейшего направления в науке считается Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 г. историческую лекцию «Там, внизу, еще много места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами.. Пока мы вынуждены пользоваться п р и р о д н ы м и молекулярными структурами, Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле»…

21 Такой прибор способен не только «у в и д е т ь», но и «п о д ц е п и т ь» отдельный а т о м и перенести его на другое место. За прошедшие 30 лет нанотехнологии это стало производ- ственной р е а л ь н о с т ь ю, и мож- но создавать необходимые объекты, «монтируя» их на атомном уровне. В 1981 г. ученые Г. Бининг и Г. Рорер из швейцарс- кого отделения IBM создали т у н н е л ь н ы й м и к р о с к о п, впервые позволивший взглянуть на обособленные молекулы и атомы. Надпись выполнена 35 атомами ксенона на кристалле Ni

22 В настоящее время происходит переход полупроводниковой электроники с микро- на наноуровень. Это уже молекулярная электроника или м о л е т р о н и к а Молекулярный кристалл фуллерена - ф у л л е р и т является полупроводником. Используется в качестве н о в о г о материала в молетронике. Это диоды, транзисторы, фотоэлементы и др. Их преимущества – наноразмеры и быстродействие (~ 1 нс). На рис.1 показана интегральная схема на углеродной нанотрубке на фоне человеческого волоса Перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного н а н о р а з м е р н о г о устройства, например, усилительного элемента.

23 Органический солнечный элемент в разрезе. Желто-коричневым выделен полимер, синим фуллерен. солнечные элементы такого типа оказываются значительно дешевле и проще в применении, чем традиционные полупроводниковые, имеют больший КПД. Идея использования органических молекул для выработки тока под воздействием света

24 Молекула C 60 F 18 Молекула C 60 F 36 Молекула C 60 F 20 Молекула C 60 F 48 Эндоэдральный фуллерен Присоединение к С60 радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены в н у т р ь молекулы С60. На основе фуллеренов уже синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Интеркалированные и эндоэдральные фуллерены

25 Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. В настоящее время в качестве накопителей информации широко используются магнитные диски с тонкой пленкой ферромагнитного металла, что дает поверхностную плотность записи ~ 10 7 бит/см 2. Оптические диски, действие которых опирается на лазерную технологию, позволяют достичь ~10 8 бит/см 2. Если же в качестве носителей информации использовать фуллереновые магнитные диполи, расположенные на поверхности жесткого диска на расстоянии 5 нм друг от друга, то плотность записи достигнет фантастического значения 4 * бит/см 2. Cтанет возможным записать содержание в с е х книг, изданных в мире с момента появления книгопечатания, всего на о д и н д и с к современного формата.

26 Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства конструкций Наличие фуллерена С60 в минеральных смазках обеспечивает на поверхностях трения образование защитной фуллерено- полимерной пленки толщиной 100 нм. Образованная пленка защищает от термического и окислительного разруше- ния, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до ºС, несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив. Это - новейшие антифрикционные материалы на уровне нанотехнологий. Узел трения "самозатачивается", как древний индийский клинок.

27 С помощью фуллереновой смазки достигаются следующие основные эффекты: · восстанавливается геометрия трущихся деталей в оптимальную сторону, при зеркальной чистоте и твердости; · Продлевается срок службы узлов трения в 2-3 раза, обеспечивается надёжная защита от износа; · Снижается расхода бензина, дизтоплива и моторных масел; · Увеличивается мощность двигателя, его КПД; · Достаточна однократная обработка узлов, отсутствуют вредных и опасных проявления в последующей эксплуатации.

28 Углеродные волокна (УВ) (В 2002 году размер мирового рынка углеродных волокон превышал 1 млрд. долларов). У них высокие модуль упругости и прочности, малая плотность, низкий коэффициент трения, а также высокая стойкость к атмосферному влиянию и химическим воздействиям. УВ и композиты из них (углепластики) имеют черный цвет и хорошо проводят электрический ток. Кроме этого, углеродные волокна и углепластики имеют почти нулевой коэффициент линейного расширения, что делает их н е з а м е н и м ы м и в некоторых специальных областях применения. УГ сохраняют прочность при очень высоких температурах (до 2200°С) и низких температурах. Диаметр ~ 5 – 15 микрон

29 Углеродные волокна используют для производства изделий, где опреде- ляющим фактором является не ц е н а, а эксплуатационные с в о й с т в а. Углепластики используют для производства дорогостоящего спортивного инвентаря, в авто- и мототехнике, а также в а в и а к о с м и ч е с к о й и в о е н н о й промышленности (танки, ракеты, самолеты и др.). Армированные углеродными волокнами композитные материалы - углепластики – легкие и прочные преобразовали многие отрасли промышленности.

30 Велосипед, армированный нановолокнами Метаматериалы придуманы учеными и не имеют аналогов в природе. Были созданы впервые в 2000 г. Они перспективны во многих областях техники, например, для создания радиолокационных линз и формирования покрытий полностью поглощающих электромагнитное излучение (создание о б ъ е к т о в- н е в и д и м о к). Метаматериал, поглощающий электромагнит- ное излучение

31 Он ~ в три раза более твердый, чем обычные соединения, такой же плотности. Специальные мельницы измельчают алюминий в сверхтонкий порошок. Достаточно добавить ~ 1% фуллерена, чтобы материал стал твёрже. Такой материал нужен для улучшения работы компрессоров, турбокомпрессоров и двигателей.. Турбины с облегчёнными роторами из такого материала могут иметь более высокие скорости вращения, что делают компрессоры и двигатели более эффективными. Для экономии материала можно сделать более тонкими алюминиевые кабели при той же прочности и электрических параметрах. Создан новый материал – алюминий с фуллереном

32 Солнечная батарея с использование фуллеренов Фуллериты обладают фотопроводимостью в спектральном диапазоне, оптимальном для создания солнечных элементов

33 Фуллерены планируют использо- вать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. В сравнении с лучшими на сегодня – литиевыми батареями - они в 5 раз большей ёмкости, имеют меньший вес, а также более экологичны и санитарно безопасны. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и медицинских аппаратов малого размера.

34 Фуллерены нашли применение в качестве добавок в вспучивающиеся огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пено- коксовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Пеновспучивающиеся огнезащитные краски

35 Атомы углерода могут образовывать не только сферические молекулы, но и трубки н а н о м е т р о в о г о диаметра, состоящие из миллионов атомов: C

36 Углеродные нанотрубки (открыты в 1991 г. учёным С. Иджима) Ещё одна аллотропная форма углерода Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр гра- фитовую плоскость из 6-угольников, закрытую с торцов «чашками», содержащими 5- и 3-угольники. С помощью электронного микроскопа установлено, что большинство н а н о т р у б о к состоят из нескольких графитовых слоев, или вложенных один в другой, или навитых на общую ось. Д и а м е т р трубок не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон. Первая нанотрубка была получена путём распыления графита в элект- рической дуге. В настоящее время обнаружены однослойные нанотрубки диаметром 0,9 нм.

37 Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температуры. Проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Нанотрубки ( самые востребованные в практике)

38 Многослойные нанотрубки более разнообразны по форме. Возможные структуры: "русская матрешка» (а), вложенные друг в друга призмы (б), свиток (в). Для всех приведённых структур расстояния между соседними графитовыми слоями близко к величине 0,34 нм (как у графита). Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок. а) б) в)

39 Возможный механизм формирования в электрической дуге углеродных фуллеренов и нанотрубок.

40 Такие свойства нанотрубки, как ее малые размеры, меняющиеся в зависимости от условий синтеза электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубки в качестве основы будущих элементов наноэлектроники. Расчетным путем доказано, что введение в структуру нанотрубки дефекта в виде пары пятиугольник– семиугольник изменяет ее электрон- ные свойства и нанотрубка с внед- рённым в нее дефектом может сос- тавить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров. Рис.2. Y-образная нанотрубка в качестве усилительного элемента (транзистора) На рис.1 показана интегральная схема «Кольцевого генератора» на углеродной нанотрубке на фоне человеческого волоса (иллюстрация с сайта IBM) ) ,

41 "Кольцевой генератор" является простейшей микросхемой, с помощью которой принято тестировать новые технологии в электронике. Основой "кольцевого генератора", стала углеродная нанотрубка, согнутая в кольцо. Микросхема работает с частотой всего 52 МГц, но намного компактнее, чем устройства из кремния. Инженеры отмечают: возможности уменьшить кремниевые транзисторы, из которых состоит "ядро" каждого современного процессора, практически исчерпаны, тогда как увеличить быстродействие микросхем на основе нанотрубок до гигагерцовых частот не слишком сложно. ". При распространении тока в обычном полупроводнике "электронный газ" испытывает особые колебания («плазмонный резонанс») под воздействием колеблющейся кристаллической решетки. В нанотрубке он подавляется, т.к. нет "настоящей" кристаллической структуры. Компания IBM изготовила первую интегральную микросхему молекулярных размеров, сообщает CNET News (2006 г.).

42 Сравнение масштабов многостенной углеродной нанотрубки и Эйфелевой башни Широкие перспективы использования нанотрубок в м а т е р и а л о в е д е н и и открываются при внедрении внутрь УНТ сверхпроводящих кристаллов (ТаС и др.) В основе многих технологических применений нанотрубок лежит такое их свойство, как высокая удельная поверхность (в случае однослойной нанотрубки около 600 м 2 на 1г), что важ- но для их использования в качестве пористого материала в фильтрах и др. Нанотрубки могут служить основой тончайших измери- тельных инструментов, используемых 1) для контроля неоднородностей поверхности электронных схем; 2) в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой ~ 20 фемтограмм (1 фг = 1x г) вирусы и др. Фирма «Motorola» нашла применение нанотрубок в плоских дисплеях, которые превосходят плазменные и жидкокриста- ллические аналоги.

43 Из нанотрубок получают очень интересные материалы, например уникальной прочности н а н о б у м а г у. Это плотные п л ё н к и из переплетённых, подобно растительным воло- кнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. В Швеции из природной целлюлозы, и нанотрубок создана нанобумага стальной прочности. Подсчитано: прочность нано- трубок в раз больше, чем у стали, Наличие дефектов приводит к искажению прямолинейной формы нанотрубки. Так внедрением в поверхность 5- и 7-угольни- ков приводит к нарушению цилиндричес- кой формы. Подобные дефекты вызыва- ют появление изогнутых и спиралевид- ных нанотрубок.

44 Этими снимками и с с л е д о в а т е л и продемонстрировали з а м е ч а т е л ь н у ю гибкость нового мате- риала, из которого можно делать нечто среднее между бумаж- ными и электролитиче- скими конденсаторами (фото RPI/Victor Pushparaj). Электролитический конденсатор большой ёмкости (ионистор) представляет собой тонкий лист целлюлозы с нанотрубками, укреплёнными на нём специальным составом. После высушивания получается бумага, которую можно использовать в качестве конденсаторных обкладок. За счёт площади многочисленных н а н о т р у б о к площадь поверхности диэлектрика по сравнению с простым плоским листом существенно больше, а значит, больше и ёмкость.

45 Интересные применения могут получить нанотрубки при заполнении их различными материалами. При этом нанотрубка может использоваться как в качестве носителя заполняющего ее материала, так и в качестве изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электри- ческого контакта, либо от химического взаимодействия со средой. Таким ёршиком можно чистить нанобутылки. Длина его щетинок 30 нанометров, а ширина 10 нм (изображение с сайта news.bbc.co.uk). Длина наногитары ~ 10 мкм. Шесть струн с грифом шириной ~ 50 нм, что соответствуют сотне атомов. Струны - из кремние- вых прутиков, звенят на 17октав выше, чем струны обычной гита- ры, или на частотах выше в 130 тысяч раз. Дёргать эти струны можно л а з е р н ы м лучом: вибрируя, они смещают луч, а отра- жённый свет при по- мощи электроники можно преобразовать в слышимые ноты.

46 Микрофотография пипода (1) и его структурная модель (2). Фуллерены и нанотрубки могут реагиро- вать друг с другом, формируя н о в ы е уникальные симбиозные структуры нанотрубки, внутри которых находятся фуллерены. Впервые такую структуру увидели с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии в 1998 году. Новые наноструктуры стали называть углеродными пиподами (peapods горошины в стручках), и обозначать, например, (фуллерен С60 внутри нанотрубки). Оказалось, что диаметры трубок для синтеза пиподов с фуллеренами С60 не могут быть любыми они должны попасть в диапазон от 1,3 до 1,5 нм. Расстояние между центрами соседних фуллеренов составляет около 0,97 нм, а расстояние между фуллереном и стенкой трубки 0,35 нм Фуллерен + нанотрубка = пи'под

47 Стуктуры пиподов: разные фуллерены (С60, С70 и С78) в нанотрубке Пиподы необычны не только своей формой, но и свойствами. При нагревании структура не меняется до 800°С, затем соседние фуллерены слипаются и образуют димеры, тримеры, а затем превра- щаются в вытянутые нанокапсулы и трубчатые фрагменты. Когда температура достигает 1200°С, отдельные фуллерены С60 практически полностью исчезают, а п и п о д превращается в две углеродные трубки, вложенные одна в другую. Диаметр внутренней трубки, выращенной из фуллеренов, полностью контролируется диаметром внешней.

48 Все эти чудеса могут происходить не только при отжиге пиподов, но и при их облучении лазером (фотополимеризация в трубке), под действием электронного пучка, в присутствии катализаторов (калия). Очень важно, что превращения фуллеренов в пиподах могут происхо- ить только в н у т р и т р у б к и (стручка), которая служит уникальным н а н о р е а к т о р о м. Сценарии формирования пиподов: диффузия фуллеренов через открытый конец (1) или дефект стенки нанотрубки (2) Например, таким способом можно произво- дить нанокабель проводник внутри изоли- рующей оболочки (нанотрубки нитрида бора (BN) – хорошего изолятора). Остается запол- нить BN-трубки углеродными фуллеренами - синтезировать пиподы и отжигать их. В результате внутри изолирующей BN- трубки вырастет вторая углеродная, которая будет проводником.

49 Рис 1 Микрофотографии связки (а) и единичного пипода (b): эндофуллерен 82 внутри углеродной нанотрубки Рис. 2 Модель «смешанного» пипода (меткар в бор-азотной нанотрубке): Ti 8 C Пиподы на сегодняшний день очень перспективный материал для микро- и наноэлектроники (нанодиодов, транзисторов, элементов памяти, логических схем), аккумуляторов водорода, высокотемпературных сверхпроводников.

50 Создан первый наногенератор переменного тока Французский Национальный центр научных исследований: ученые из лаборатории физики конденсированного состояния разработали устройство размером порядка нанометра, способное преобразовывать постоянный ток в переменный. В наноэлектромеханических системах (НЭМС) необходим синхронизатор (источник переменного тока), который генерирует колебания, "задающие ритм». Так, в кварцевых часах эту функцию выполняют батарейка (генерирует постоянный ток) и кристалл кварца (преобразует его в переменный). На сегодня подобные устройства имеют размер ~ 1 мм ( чуть ли не в миллион раз больше самой системы), что делает невыгодным их применение в НЭМС. Французская НЭМС включает в себя н а н о т р у б к у из карбида кремния, на которую подается постоянный ток. За счет этого начинается полевая эмиссия: нанотрубка теряет электроны. Это создает неустойчивость, которая приводит к колебаниям трубки. Колебания влияют на интенсивность эмиссии, и получается замкнутый круг: колебания поддерживают сами себя, т.е. возникают а в т о к о л е б а н и я.

51 Простым а н а л о г о м в макромире может служить поливной шланг. При определенном напоре воды он начинает без всякого в н е ш н е г о вмешательства ритмически дергаться из стороны в сторону. В НЭМС роль шланга играет нанотрубка, а воды - постоянный ток. Повышаются возможности НЭМС, обеспечивая им независимость от внешнего источника переменного тока. Модель автоколебаний нанотрубки: поведение поливного шланга при сильном напоре воды. Фото с сайта cnrs.fr.

52 Графен – ещё одна новая форма углерода Это плоский (двумерный) к р и с т а л л, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. В природе такого материала не существует, он был создан группой А.Гейма и К. Новоселова в 2004 году и с тех пор активно изучается. Наличие 5-угольных ячеек при- водит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Присутствие 7- угольных ячеек приводит к обра- зованию седловидных искривле- ний атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приво- дить к образованию различных форм поверхности графена.

53 1 2 3 Графен – двумерный (2D) строительный материал для аллотропных модифи- каций: можно свернуть в 0D-фуллерен (1), скрутить в 1D-углеродную НТ(2), уложить в 3D-штабеля графита (3). Расстояние между атомами гексагональной кристаллической решётки графена 0,142 нм. Такая плотная упаковка атомов не пропускает сквозь решётку даже малые атомы гелия. До 2004 г. не удавалось получить плоский фрагмент графена: он свёртывался в другие аллотропные формы (min W энергии ).

54 Графитовая плоскость разрезается по пунктирным линиям (перпендикулярным к вектору R) и сворачивается вдоль направления вектора R Сворачи- вание графито- вой плоскос- ти для получе- ния (n,m) нано- трубки

55 Термин «графен» появился в 1987 г., но изучение свойств такого вещества началось в 1947 г. Канадский физик Ф. Уоллес рассчитал закон движения е - в монослое графита и обнаружил, что на определённых участках зависимость энергии е - от их импульсов является линейной (закон линейной дисперсии). Современными исследованиями установлено: линейную дисперсию имеют только фотоны. Получается, что е- в графене не имеют массы, при v e- в 300 раз < c. Появляется возможность экспериментально смоделировать в графене некоторые эффекты из физики высоких энергий (шутка: графен – «настольный ЦЕРН»). Линейная дисперсия заставляет использовать для описания электронных свойств графена не ур-ние Шрёдингера, а Дирака (потому е- внутри графена называют «дираковскими фермионами»). В макромасштабе линейная дисперсия делает графен полуметаллом с проводимостью, не уступающей Cu

56 1.Необычная механическая прочность (если бы можно получить слой графена d ~ 100 нм, то для разрыва плёнки потребовалось бы приложить силу около 20 тыс. ньютонов). 2. На практике оказалось, что графен образует не идеально плоскую структуру, а слегка изгибается, что придает этой пленке необходи- мую жесткость и устойчивость. 3.Самая высокая среди известных твёрдых материалов подвижность электронов. Для кремния подвижность составляет 0,15 м 2 /в*с, арсенида галлия - 0,85 м 2 /в*с, а для графена – 20 м 2 /в*с (по измере- ниям группы физиков под руководством Андре Гейма). При повыше- нии температуры подвижность падает: складки и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электро- нов. Группа Гейма полагает, что подвижность электронов возрастёт, если сделать материал более ровным. 4.Электрическая проводимость графена зависит от размеров и формы (только у плёнки ~ 500*1000 нм расчётные и эксперим. значения совпадают

57 Образная иллюстрация прочности графена Гипотетический гамак из графена площадью 1м 2 и массой 0,77 мг мог бы свободно выдержать кота массой 4 кг. Для стального гамака при тех же параметрах «критическая масса» меньше в 100 раз. Прочность графена выше ~ 10 2 стали. Графен хорошо пропускает все длины волн видимого света и следовательно, бесцветен. Потому гамака не будет видно, и кот будто парит в подвешенном состоянии

58 6. Оптическая прозрачность графена определяется только постоян- ной тонкой структуры (1/137), Она характеризует силу ЭМ взаимоде- йствия. Зависимость от неё прозрачности графена хорошо объясняется недавно разработанными теориями, описывающими оптические свойства тонких пленок. 7. При комнатной температуре графен обеспечивает удельное сопротивление всего в 1 микроОм*см, что на 35 % ниже удельного сопротивления меди, используемой в качестве проводника при создании микросхем. 8. Мембрана из графена может служить микроскопическим фильтром, разделяющим газовые смеси на составные части. В электронной микроскопии графен толщиной ~ 0,35 нм может использоваться в качестве "предметного стекла" для исследуемых молекул, в частности – белковых

59 ГРАФЕН – конкурент нанотрубкам. На его основе можно построить интегральную схему целиком из графена, без проводящих мостиков между элементами. Он - «Фундамент наноэлектроники». Толщина мембраны на фото такова, что потребуется уложить её в 200 тысяч слоев, чтобы достичь толщины человеческого волоса. Графену прочат большое будущее в новых материалах, а также суперкомпьютерах будущего, где размеры логических схем будут уменьшены в м и л л и о н ы раз. Ткань толщиной в один атом! П е р с п е к т и в ы г р а ф е н а

60 Высокая подвижность носителей зарядов и малая толщина идеальны для создания малых и быстрых полевых транзисторов. Фирма IBM уже создала графеновый транзистор, работающий на частоте 100 ГГц (в 2,5 раза выше кремниевого). Высокая прозрачность, хорошая электропроводность, эластичность графена нужны в сенсорных дисплеях и фотоэлементах солнечных батарей. Преодолеваются трудности получения недорогих, стабильных по форме листов графена для электродов в ионисторах (с ём- костью С~ 1 Ф и больше). Уже получены 30-дюймовые (76-см) листы графена (Корея, Сингапур, Япония).

61 А.Гейм и К. Новосёлов – лауреаты Нобелевской премии 2010 г. по физике. Премия присуждена за создание и изучение уникального углеродного материала – ф т о р о г р а ф е н а. Фторографен плоскость, состоящая из шестиугольников, образованных атомами углерода, к которой присоединены атомы фтора. Ученые выяснили свойства нового материала: он остается совершенно стабильным при температуре 400°C. Стабилен в воде, ацетоне, пропаноле и совершенно не проводит электричество его сопротивление превышает триллион Ом. Фторографен может использоваться как более тонкая и легкая основа, например, в электронике для новых типов светодиодов и др. полупроводниковых элементов наносхем.

62 Применение фуллеренов В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализа- торов роста, алмазных и алмазоподобных плёнок, сверхпрово- дящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

63 Человечество использует углерод на протяжения многих тысячелетий, но многие его свойства и модификации были открыты недавно. Разработка способов получения углеродных материалов и изучение их свойств продолжается, как и поиски путей их применения в электронике, биологии, медицине и других областях деятельности человека. Свойства уже созданных углеродных материалов вселяют надежду на их широкое применение и появление новых и новых материалов.