<<
>>

Потенциальные возможности применение углеродных нанотрубок

Со  времени открытия углеродных нанотрубок Ииджимой исследования были сосредоточены на применении их в различных устройствах. В частности, большой успех применения УНТ ожидается от приложений электронной эмиссии, благодаря упомянутым выше (раздел 4) таким свойствам УНТ, как экстремальная физическая прочность, химическая стабильность, высокое аспектное число и высокая электропроводность.

Создание низковольтного дисплея с полевой эмиссией (ДПЭ) из УНТ в настоящее время является одним из самых перспективных направлений в электронике. Полевые эмиссионные свойства УНТ, полученных различными методами, изучались как на единичных МСУНТ, так и на связках МСУНТ. В 2004 г. сообщалось о 32 дюймовом УНТ -ДПЭ с катодом подзатворного типа. Разработчики дисплея на УНТ использовали экраннопечатную технику нанесения УНТ на катод для формирования эмиттера. В том же году другая японская фирма представила 40 дюймовую триодную панель с катодом, покрытым УНТ. Пирио изготовил микроструктурированные катоды с УНТ эмиттерами, непосредственно сформированными на дне катодных отверстий методом PECVD при 700° С и Ширатори создал полевые эмиттеры путем синтеза вертикально ориентированных УНТ на стекле при 400° С радиочастотным PECVD методом.

Массивы УНТ на большой области шаблонов из AAO, как прототипы плоского дисплея с полевой эмиссией были осаждены также методом CVD. Такие структуры УНТ/AAO характеризуются низким полевым включением ~ 2,8 В/мкм, высокой максимальной плотностью тока эмиссии ~ 24 мА/см и хорошей стабильностью эмиссии. Получен также тонкоплёночный материал из ориентированных МСУНТ методом CVD без катализатора в плазме тлеющего разряда. Отмечены превосходные низковольтные электронно-полевые эмиссионные свойства нанотрубок. Плот-

ность тока эмиссии достигала 50 мА/см в поле 5 В/мкм. По сравнению с обычными эмиттерами углеродные нанотрубки показывают более низкие пороговые электрические поля, что и проиллюстрировано в табл.

9.2. Плотности тока, наблюдаемые для углеродных нанотрубок, значительно превышают ту же величину, что и у обычных эмиттеров, таких как наноалмазы, которые имеют тенденцию к выходу из строя уже при плотностях тока ниже 30 мА/см . Эмиттеры УНТ особенно привлекательны для разнообразных применений в вакуумной микроэлектронике и для микроволновых усилителей (плотность тока gt; 500 мА/см ).

Таблица 9.2

Значения порогового электрического поля для различных материалов при

2

плотности тока эмиссии - 10 мА/см

Материал

Пороговое электрическое поле (В/мкм)

Острия Mo

50 - 100

Острия Si

50 - 100

Алмаз p-типа проводимости

130

Аморфный алмаз

20 - 40

Нанесенный алмаз

20 - 30

Графитовый порошок (lt; 1 мм размер)

17

Наноструктурированный алмаз

3 - 5 (нестабильно gt; 30 мА/см )

УНТ

1 - 3 (стабильно при 1 А/см )

Катодно-лучевые осветительные элементы на основе УНТ как полевых эмиттеров были изготовлены фирмой Ise Electronic Co. в Японии. Эти осветительные элементы с УНТ имеют дизайн триодного типа. Различные цвета в элементах получены за счет использования различных флуоресцентных материалов. Светимость люминесцентных экранов была в два раза более интенсивной (время жизни 8000 ч), чем при использовании обычных термических электронно-лучевых трубок в качестве осветительных элементов, работающих в тех же условиях.

Так как концы МСУНТ хорошо проводят ток, они могут использоваться в СТМ, АСМ-приборах, так же как и в других зондовых сканирующих исследовательских установках, например в электростатических силовых микроскопах.

Преимуществом наконечника нанотрубки является его гибкость и возможность отобразить тонкие особенности структуры (такие как очень маленькие, глубокие поверхностные трещины), которые являются почти недоступными в исследованиях с использованием большего по размеру и более затупленного стравленного Si или металлических зондов. Биологические молекулы типа ДНК также могут быть отображены с более высоким разрешением, используя верхушки нанотрубок, по сравнению с применением обычных наконечников в СТМ. МСУНТ и ОСУНТ уже использовались в исследованиях биологических молекул с разрешением, которое прежде не достигалось. Также можно использовать концы нанотрубок в субмикронной литографии с применением АСМ. УНТ выглядят очень многообещающими и в системах хранения данных из-за особенностей изнашивания их, и для улучшения эффективности системы по мощности в приборах термомеханического хранения данных. Недавно продемонстрирована система термомеханического хранения данных на полимерных (метилметакрилат) пленках, используя торцы МСУНТ. Достигнута плотность индентации в таком устройстве gt; 40 Гигабит/см .

Недавние исследования также показали, что УНТ могут использоваться как перспективные химические или биологические датчики. Удельное электрическое сопротивление ОСУНТ, как было выяснено, ощутимо изменялось под влиянием газообразной окружающей среды, содержащей молекулы NO2, NH3 и O2, или биомолекулы. Было замечено, что время реакции сенсоров на основе нанотрубок является, по крайней мере, на порядок величины быстрее (несколько секунд для изменения сопротивления на порядок величины), чем у сенсоров на основе металлических оксидов и полимерных сенсоров. Чаще всего химические сенсоры создаются на основе полевого транзистора, в котором углеродная нанотрубка играет роль канала прибора.

УНТ имеют много потенциальных приложений в качестве «наноканалов» для прецизионной доставки газов или жидкостей. Транспортные скорости в нанотрубках являются на порядки величины более высокими, чем в цеолитах или в любых микропористых материалах, в настоящее время доступных для экспериментов.

Этот феноменальный результат связан с внутренней гладкостью нанотрубок.

Надо упомянуть, что углеродные нанотрубки могут быть эффективно использованы в качестве усиливающих компонент в композитных материалах с высокой прочностью, легким весом и высокой термической стойкостью (например, в узлах космических кораблей, частях самолетов и т. д.). НАСА недавно инвестировало большие суммы денег в создание композиционных материалов на основе нанотрубок, которые будут использоваться в футуристических миссиях на Марс. Имеются определенные преимущества и при использовании УНТ для структурных полимерных (например, эпоксидная смола) соединений. Усиление материала нанотрубками увеличивает прочность композита за счет поглощения энергией в течение их очень гибкого упругого поведения. Это будет особенно важно для керамических матричных композитов, базирующихся на нанотрубках. Известно, что введение небольшого количества УНТ в полимерные композиты, вызывает увеличение теплопроводности матричного полимера. Тепловые и электрические свойства композитов ОСУНТ-полимер значительно модифицируются магнитным упорядочением в течение процесса обработки. Связывание нанотрубок в течение приготовления композита является важным фактором для улучшения электрических и, в особенности, тепловых транспортных свойств.

Так как нанотрубки имеют относительно прямые и узкие каналы, то сразу же после их открытия предполагалась возможность заполнения полостей УНТ чужеродными материалами для изготовления одномерной нанопроволоки. Таким образом, нанотрубки использовались как шаблоны, чтобы создать нанопроволоки различных составов и структур, включая заполнение нанотрубок металлическими и керамическими материалами. Заполненные нанотрубки (SiC, SiO, BN, C) могут также быть синтезиров- ны in situ в течение выращивания нанотрубок в электрической дуге или путем лазерной абляции. Для различных целей было достигнуто декорирование нанотрубок металлическими частицами и фуллеренами. Недавно было выявлено интересное применения заполненных металлом нанотрубок в качестве нанотермометра.

Имеется широкий диапазон возможностей использовать полое пространство внутри ОСУНТ как одномерное пространство для применения в физике, электронике, химии и биологии. Другая интригующая возможность - это использование инкорпорированных фуллеренами нанотрубок. Фуллерен-наполненные нанотрубки («peapods») были обнаружены Смитом в 1998 году. Метод создания таких структур в крупном масштабе был позже развит Бандовым. Спиновое упорядочение внутри peapods-систем может иметь значительное воздействие на развитие будущих устройств памяти. По нашему мнению, такие фуллерено- наполненные УНТ и связки УНТ представляют большой интерес как преломляющие рентгеновские линзы для фокусировки излучения и формирования изображений. Эксперименты Крюгера по прохождению электронов через МСУНТ показали, что УНТ могут использоваться как элементы для фокусировки электронов в наноразмерные пятна. Электронный пучок в этом эксперименте был сфокусирован на спроецированный центр трубки и получено увеличение электронной интенсивности в несколько раз. Следует добавить, что массивы ориентированных УНТ представляют большой интерес для наноколлимации пучков заряженных частиц и квантов, могут обеспечивать волноводный режим движения их за счет эффекта каналирования, а также перспективны в устройствах нанолитографии и локального анализа материалов с нанометровым разрешением.

Недавно сообщалось о том, что композит ОСУНТ-полиамид не только имеет оптическое время распада меньше чем 1 пс, но также характеризуется высокой нелинейной поляризацией третьего порядка, которая делает композит ОСУНТ-полимер потенциальным материалом для высококачественных оптических переключателей.

После того, как было показано экспериментально, что полупроводниковые углеродные нанотрубки могут работать как полевые транзисторы, были достигнуты, определенные успехи. При использовании тонких пленок подзатворного диэлектрика рабочие напряжения были уменьшены приблизительно до 1 В. Также было обнаружено, что наблюдаемое поведение p-типа транзисторов на основе УНТ является контактным явлением, а не свойственным массиву. К настоящему времени реализовано множество молекулярных устройств с ОСУНТ, включая различные типы полевых транзисторов, одноэлектронные транзисторы, работающие при комнатной температуре, логические схемы, инверторы и электромеханические переключатели. Совсем недавно было сообщено об опытных образцах устройств флэш-памяти с емкостью более 40 Гбит/см2, основанных на ОСУНТ. Способность производить транзисторы n-типа важна технологически, поскольку это позволяет изготавливать комплементарные логические приборы и схемы на основе УНТ. Эксперименты показали, что конверсия р- и n-типа УНТ полевых транзисторов может быть выполнена путем легирования поверхности трубок, используя щелочные металлы, или просто отжигая транзисторные устройства в вакууме или в инертном газе. 

<< | >>
Источник: Азаренков Н. А., Береснев В. М., Погребняк А. Д., Маликов Л. В., Турбин П. В.. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии: Учебное пособие. 2009

Еще по теме Потенциальные возможности применение углеродных нанотрубок:

  1. Глава 2. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности
  2. Возможные направления кластеризации наноиндустрии Волгоградской области
  3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОУСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
  4. Конструкционные и функциональные материалы
  5. ПРЕДИСЛОВИЕ
  6. Методы получения фуллеренов, нанотрубок
  7. Потенциальные возможности применение углеродных нанотрубок
  8. Глава V. Раздел 5. Электрохимические методы в нанотехнологии.
  9. Глава VII. Раздел 4. Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок.
  10. Применение НТ
  11. Наномедицина