Углеродные нанотрубки - Кафедра ИУ4 МГТУ им.Н.Э.Баумана

Двенадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва»
Кафедра ИУ4 МГТУ им. Н.Э.Баумана
«Проектирование и технология производства электронно-вычислительных средств»
ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН И
УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
Автор
Еременко Александра Сергеевна
Москва, ГОУ СОШ № 303
Научный руководитель
по
Власов Андрей Игоревич
к.т.н., доцент, зам. зав. кафедрой ИУ4
научной работе МГТУ им. Н.Э.Баумана
Москва 2009
Цель исследования
1.
2.
3.
Изучение свойств и основных характеристик углеродных волокон и
углеродных нанотрубок.
Изучение особенностей сканирования наноразмерных объектов на
поверхности с помощью СЗМ NanoEducator.
Получение топографии углеродных волокон на поверхности кремниевой
подложки.
Объект исследования
Углеродные волокна и углеродные нанотрубки
Задачи исследования
1.
2.
Освоение методики работы на атомно-силовом микроскопе со сканирующим
устройством NanoEducator
Обработка полученных изображений
Углеродные волокна и нанотрубки
• Углеродные нанотрубки (УНТ) - нитевидные протяжённые структуры, состоящие из
свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, с протяженными внутренними
полостями
• Углеродные волокна (УВ) - нитевидные наночастицы без протяженных внутренних
полостей
Углеродное волокно
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки и волокна обычно получают обработкой химических или природных органических волокон, при
которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода 99%.
Классификация углеродных нанотрубок
Основная классификация нанотрубок проводится по
способу сворачивания графитовой плоскости. Этот
способ сворачивания определяется двумя целыми
числами n и m, задающими разложение
направления сворачивания на вектора трансляции
графитовой решётки.
По значению (n, m) различают:
1. прямые (ахиральные) нанотрубки
- «кресло» или «зубчатые» (armchair)
n=m
- зигзагообразные (zigzag) m=0 или
n=0
2. спиральные (хиральные)
нанотрубки
Осевая дислокация вдоль оси УНТ.
(A) Ахиральная нанотрубка в конфигурации
«зигзаг» (n, 0)
(B) Хиральные нанотрубки (n, 2)
Однослойные и многослойные нанотрубки
Однослойные нанотрубки (single-walled
nanotubes, SWNTs) – простейший вид
нанотрубок. Большинство из них имеют
диаметр около 1 нм при длине, которая
может быть во много тысяч раз больше.
Многослойные нанотрубки (multi-walled
nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких
слоев графена, сложенных в форме
трубки. Расстояние между слоями равно
0.34 нм.
Углеродная однослойная нанотрубка
Многослойные нанотрубки
• Модель «матрешка»
• Модель «пергамента»
Углеродная многослойная нанотрубка
Свойства углеродных нанотрубок
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Высокая электропроводность
Высокая эффективность тока эмиссии
Прочность
Сверхпроводимость
Излучательная способность в области видимого и ИК диапазона
Капиллярные эффекты
Возможные применения углеродных нанотрубок
в микроэлектронике
1.
2.
3.
4.
транзисторы
нанопровода
прозрачные проводящие поверхности
топливные элементы
Полевой нанотранзистор
Получение СЗМ изображения углеродных волокон
В качестве экспериментальных образцов использовались фрагменты углеродного волокна
размером 1х1 см, полученные методом катодного распыления углеродных электродов.
Свойства образцов указаны в нижеприведенной таблице:
Исследование проводится на СЗМ
NanoEducator методом АСМ в
“Полуконтактном” режиме.
Размер сканов 15×15мкм
Свойства исследуемых углеродных волокон
Плотность
кг/м³
Диаметр
волокна
(мкм)
Модуль
упругости
(ГПа)
Средняя
прочность на
базе 10мм.
(ГПа)
Предельная
деформация
%
Образец (1)
1600
7,0
150
2,0
1,3
Образец (2)
1900
7,0
500
2,0
0,4
СЗМ исследование углеродных волокон
Образец (1)
Образец (2)
На слайде представлены фрагменты углеродных волокн. Как видно из приведенных данных
поверхность образца №2 отличается существенно большей однородностью, чем поверхность
образца №1. Неоднородность поверхности второго образца лежит в пределах 100нм. В то время
как неоднородность поверхности углеродных тканей первого образца лежит в пределах 1000нм.
Выводы
•
•
•
•
Углеродные нанотрубки и углеродные волокна сходны по характеристикам и
использованию, а так же по методикам изготовления.
Обнаружены неоднородности образцов, различающихся более чем на порядок.
Причины различия в неоднородностях
скорее всего обусловлены
технологическими особенностями получения тканей.
Используемая методика не может являться эффективным способом контроля
технологических режимов получения углеродных тканей.
Сканирующий зонд
NanoEducator позволяет исследовать поверхности
углеродных тканей с хорошей информативностью результата, но не слишком
высокой точностью для оценки результата.