Εισαγωγή στις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα

Ηλεκτρικό φορτίο, περιγραφή - μονάδα - ιδιότητες (Ενδέχεται 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Εισαγωγή στις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα


Τα άτομα άνθρακα μπορούν να συνδεθούν με τα γειτονικά τους άτομα για να δημιουργήσουν φύλλα (γραφένιο), κυλίνδρους (νανοσωλήνες) και μπάλες (φουλερένια) με μοναδικές ιδιότητες. Αυτό το άρθρο παρέχει τις ελάχιστες πληροφορίες που απαιτούνται για έναν ηλεκτρολόγο μηχανικό να αναλύσει ένα επιστημονικό άρθρο σχετικά με νανοσωλήνες άνθρακα ενός τοίχου.

Μια σημείωση σχετικά με τις πληροφορίες που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο: Σε μια προσπάθεια να κρατήσω το άρθρο φιλικό προς τον αναγνώστη σε ένα ακροατήριο της ηλεκτρομηχανολογίας, έχω πάρει κάποιες ελευθερίες που μπορεί να αντιταχθεί ένας προηγμένος αναγνώστης. Μη διστάσετε να γεφυρώσετε τυχόν κενά που μπορεί να αισθανθείτε ότι έχω αφήσει για τον αναγνώστη στα παρακάτω σχόλια.

Σκοπός και Εισαγωγή

Από την ανακαλύψή τους το 1991, οι επιστήμονες έχουν διερευνήσει τις χημικές, φυσικές και υλικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα. Το 1998 έγιναν τα πρώτα τρανζίστορ πεδίου δράσης και, μέχρι το 2003, η NEC τα χρησιμοποίησε για να δημιουργήσει τρανζίστορ με τάξη μεγέθους μεγαλύτερης αγωγιμότητας από τα MOSFETs πυριτίου. Το 2013, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν έναν λειτουργικό υπολογιστή με nanotube άνθρακα με 20 εντολές.

Αυτό το άρθρο επιχειρεί να παράσχει τις πληροφορίες που χρειάζονται για να κατανοήσουμε καλύτερα ποια είναι τα νανοσωλήνα και η ορολογία που χρησιμοποιείται για να τα περιγράψει ώστε να μπορείτε να προσεγγίσετε ακαδημαϊκά άρθρα που σας ενδιαφέρουν. Αυτό το άρθρο υποθέτει ότι ο αναγνώστης δεν έχει πάρει φυσική χημεία ή φυσική συμπυκνωμένου υλικού.

Ανατρέξτε στο βιβλίο μας για περισσότερες πληροφορίες:

  • Τόμος ΙΙΙ, Κεφάλαιο 2-Ημιαγωγοί
  • Τόμος ΙΙΙ, Κεφάλαιο 3-Valence και Crystals
  • Τόμος ΙΙΙ, Κεφάλαιο 4-Θεωρία ζωνών των στερεών

Αυτός ο ιστότοπος διαθέτει επίσης ορισμένες οπτικοποιήσεις υψηλής ποιότητας: //toutestquantique.fr/en/

Δομικά στοιχεία

Χημεία των ατόμων άνθρακα

Τα ουδέτερα άτομα άνθρακα έχουν έξι ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα και συγκρατούνται στο άτομο από την ηλεκτρική δύναμη. Τα ηλεκτρόνια που απέχουν πολύ από τον πυρήνα απαιτούν μια τάξη μεγέθους λιγότερης ενέργειας για να αφαιρεθούν από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα.

Δεδομένου ότι απαιτεί λιγότερη ενέργεια για την απομάκρυνση των εξόχως απόκεντρων ηλεκτρονίων, δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα εξόχως απόκεντρα ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια σθένους) είναι αυτά που αλληλεπιδρούν με άλλα άτομα.

Τα ηλεκτρόνια που είναι πιο κοντά στον πυρήνα πρέπει να αποκτούν προοδευτικά μεγαλύτερες ποσότητες ενέργειας για να μπορούν να αφήσουν το γονικό τους άτομο δημιουργώντας ένα ιόν. Δεδομένα από τον Wolfram Alpha

Κβαντική θεωρία

Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε μοναδικά επαναλαμβανόμενα μοτίβα στην περιοχή του χώρου έξω από τον πυρήνα ενός ατόμου σε τροχιακά που μπορούν να περιγραφούν και να προβλεφθούν με μαθηματικές λειτουργίες κυμάτων που καθορίζονται από τις μοναδικές ιδιότητες των μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Κάθε τροχιά μπορεί να καταλαμβάνεται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο και κάθε τροχιά έχει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας που συνδέεται με αυτήν - δύο ηλεκτρόνια δεν καταλαμβάνουν ποτέ το ίδιο τροχιακό, αλλά μπορεί να έχουν ταυτόσημες ενέργειες. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να απορροφούν ενέργεια για να μπορέσουν να μετακινηθούν σε υψηλότερη τροχιά και αν απορροφήσουν αρκετή ενέργεια, μπορούν να αφήσουν το άτομο εντελώς. Τα ηλεκτρόνια τείνουν να μετακινούνται αυθόρμητα σε χαμηλότερες ενεργειακές τροχιές εάν υπάρχει διαθέσιμος χώρος γι 'αυτούς και, όπως συμβαίνει, θα εκδιώξουν την επιπλέον ενέργεια ως φωτόνιο, δηλαδή ένα σωματίδιο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (που μερικές φορές είναι ορατό φως).

Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στην περιοχή του χώρου που καθορίζει τα συγκεκριμένα τροχιακά τους, ποτέ στο μεταξύ, γεγονός που επιβεβαιώνεται εν μέρει εξετάζοντας το φάσμα εκπομπών άνθρακα. Αυτές οι φασματικές γραμμές αντιστοιχούν σε φωτόνια που έχουν ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας δύο τροχιακών.

Ορατό φάσμα εκπομπών άνθρακα. Φωτάκια συγκεκριμένου μήκους κύματος εκπέμπονται καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται σε χαμηλότερα ενεργειακά τροχιακά σε άτομα άνθρακα. Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Wolfram Alpha.

Στη χαμηλότερη ενεργειακή διαμόρφωση του άνθρακα, δύο ηλεκτρόνια γεμίζουν τον τροχό του 1s πλησιέστερα προς τον πυρήνα, δύο ηλεκτρόνια γεμίζουν το τροχιακό 2s και τα υπόλοιπα δύο ηλεκτρόνια γεμίζουν το τροχιακό 2p. Τα εξώτατα τέσσερα ηλεκτρόνια είναι διαθέσιμα για να συνδεθούν με άλλα άτομα άνθρακα. Με την απορρόφηση μιας μικρής ποσότητας ενέργειας, οι λειτουργίες κύματος αλλάζουν και σχηματίζονται νέες υβριδικές τροχιές.

Ηλεκτρονικά διαγράμματα ενέργειας για υβριδικά τροχιακά κατάσταση εδάφους, sp 2 και sp 3 . Τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα τα μικρότερα ενεργειακά τροχιακά πρώτα. Αλλά με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ενέργειας (~ 1-2 eV), τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται για να δημιουργήσουν υβριδισμένα τροχιακά όταν συγχωνεύονται τα τροχιακά 2s και 2p.

3D υβριδικά τροχιακά μοντέλα. Σημειώστε τα sp 2 τριγωνικά επίπεδα και sp 3 τετράεδρα σχήματα. Εικόνα από τον Mark Hughes.

Ομόλογα άνθρακα-άνθρακα

Τα άτομα άνθρακα μπορούν να συνδεθούν με τρία ή τέσσερα γειτονικά άτομα για να δημιουργήσουν αλλοτρόπια άνθρακα με μοναδικές ιδιότητες υλικού.

Ένα άτομο άνθρακα μπορεί να συνδεθεί:

  • Με τα πλησιέστερα τέσσερα άτομα άνθρακα σε τετραεδρικό πρότυπο (sp3 υβριδικό τροχιακό) για να δημιουργηθεί το διαμάντι με κρυσταλλική δομή 3D
  • Με τα τρία πλησιέστερα άτομα άνθρακα σε ένα τριγωνικό επίπεδο πρότυπο (sp2 υβριδικό τροχιακό) για να δημιουργήσει την 2D δομή κρυσταλλικού πλέγματος graphene
  • Με τρία πλησιέστερα άτομα άνθρακα σε νέο σχήμα (ανάμεικτη κατάσταση sp 2 και sp 3 ) για να δημιουργήσει q-άνθρακα, νανοσωλήνες και φουλλερένια

Δύο ουδέτερα άτομα άνθρακα που διαχωρίζονται με διάφορα ατομικά πλάτη θα έχουν τα ίδια επίπεδα ενέργειας και στη συνέχεια ταυτόσημες φασματικές γραμμές. Καθώς πλησιάζουν μαζί, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους καθώς οι τροχιακές κυματικές λειτουργίες τους αρχίζουν να αλληλεπικαλύπτονται.

Καθώς τα άτομα άνθρακα συνδέονται μαζί σε έναν κρύσταλλο, περισσότερα ηλεκτρόνια κινούνται μεταξύ των ατόμων, υπακούοντας στον κανόνα ότι το ηλεκτρόνιο μπορεί να πάρει μόνο ένα μονοπάτι που δεν προκαλεί καταστροφικές παρεμβολές και μόνο ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να υπάρχει σε ένα συγκεκριμένο τροχιακό κάθε φορά. Οι τροχιές S χωρίζονται σε δύο φορές περισσότερους τροχιακούς, όπως υπάρχουν άτομα (ένα για κάθε ηλεκτρόνιο στα S-τροχιακά), μερικά με υψηλότερη ενέργεια και μερικά με χαμηλότερη ενέργεια από πριν. Οι τροχιές P χωρίζονται σε έξι φορές περισσότερα τροχιά (Px, Py, Pz) καθώς υπάρχουν άτομα, και πάλι, μερικά με υψηλότερη ενέργεια και μερικά με χαμηλότερη ενέργεια.

Πρόσθετες τροχιές, που υπακούουν στους κανόνες που δεν υπάρχουν δύο ηλεκτρόνια μπορεί να βρίσκονται στην ίδια τροχιακή και καταστροφική παρέμβαση, δεν μπορούν να εμφανιστούν, είναι σε θέση να προκύψουν. Η εξάπλωση της ενέργειας αυτών των νέων τροχιακών είναι της τάξης μόλις λίγων ηλεκτρονίων και αντιστρόφως σχετίζεται με την απόσταση μεταξύ των ατόμων. Δεδομένου ότι υπάρχουν 10 23 άτομα σε ένα mole, υπάρχουν 10 23 επίπεδα ενέργειας στο κέλυφος του 1s μόνο που όλα έχουν μοναδικές ενέργειες στην περιοχή των 10 0 eV. που αφήνει έναν αδιανόητα υψηλό αριθμό μοναδικών ενεργειών γεμάτες σφιχτά σε μια μικρή κλίμακα.

Η καλλιτεχνική ερμηνεία των αυξημένων φασματικών γραμμών ως πρόσθετα άτομα άνθρακα έρχονται κοντά ο ένας στον άλλο. Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο στις επιτρεπόμενες ζώνες ενέργειας. Δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια στις απαγορευμένες ζώνες μεταξύ επιτρεπόμενων ζωνών. Εικόνα από τον Mark Hughes

Αυτό που αρχίζει ως διακριτά επίπεδα ενέργειας των μεμονωμένων ατόμων διευρύνεται γρήγορα σε ενεργειακές ζώνες καθώς πολλαπλά άτομα συνδέονται μαζί. Ο χώρος μεταξύ των ζωνών όπου δεν επιτρέπονται ηλεκτρόνια καλείται ζώνη ζώνης. Είναι αδύνατον και δεν είναι απαραίτητο να εντοπιστούν μεμονωμένα τροχιακά ηλεκτρονίων όταν είναι τόσο στενά διαχωρισμένα.

Βαλένθια μπάντα και ζώνη διοίκησης

Ένα υλικό μπορεί να αποκτήσει ενέργεια μόνο εάν είναι η ποσότητα που είναι απαραίτητη για να μετακινηθεί από μια ενεργειακή ζώνη σε μια κοντινή ζώνη με κενά επίπεδα ενέργειας. Εάν η ζώνη που περιέχει τα ηλεκτρόνια σθένους είναι πλήρης (ή η ποσότητα ενέργειας που εισάγεται είναι μικρότερη από την απαραίτητη για να μετακινηθεί μεταξύ των ζωνών), το υλικό θα λειτουργήσει ως μονωτής. Αν η ζώνη που περιέχει τα ηλεκτρόνια σθένους έχει τόσα πολλά διαθέσιμα επίπεδα που δεν μπορεί να γεμίσει, το υλικό ενεργεί ως αγωγός.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποκτήσουν ενέργεια για να κινηθούν μεταξύ ζωνών μέσω της εφαρμογής ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, μέσω της απορρόφησης ενός φωτονίου ή μέσω της θερμικής ενέργειας σε θερμοκρασίες πάνω από το απόλυτο μηδέν. Εάν το εύρος ζώνης είναι μικρό (~ 10 0 eV), η θερμική ενέργεια είναι αρκετή για να επιτρέψει στα ηλεκτρόνια να μεταπηδήσουν αυθόρμητα σε μια υψηλότερη ενεργειακή ζώνη, δίδοντας στο υλικό τις ιδιότητες ενός ημιαγωγού. Η σχεδόν γεμάτη μπάντα που αφήνουν τα ηλεκτρόνια ονομάζεται ζώνη σθένους και η σχεδόν κενή μπάντα στην οποία μεταπηδούν ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας .

Εάν υπάρχει μεγάλο χάσμα μεταξύ της ζώνης σθένους και αγωγιμότητας, τα ηλεκτρόνια δεν είναι ελεύθερα να κινούνται μεταξύ των ενεργειακών ζωνών και το υλικό είναι μονωτικό. Εάν τα επίπεδα ενέργειας διευρυνθούν και το bandgap είναι ανύπαρκτο (οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας αλληλεπικαλύπτονται), το υλικό ενεργεί ως μέταλλο. Αν το κενό είναι μικρό αλλά εξακολουθεί να υπάρχει, λειτουργεί ως ημιαγωγός.

Εικόνα που δείχνει τις ζώνες σθένους και αγωγιμότητας των γενικών υλικών. Εικόνα που δημιουργήθηκε από τη Nanite

Διαγράμματα δομής ζώνης επίπλευσης ζώνης άνθρακα με ένα τοίχωμα άνθρακα: (α) μεταλλικό (επικαλυπτόμενο τροχιά), (β) ημι-μέταλλο (μικρή επικάλυψη), και (γ) ημιαγωγός (μικρό κενό). Χορηγία εικόνας από την InTechOpen

Graphene να Nanotube

Τα φύλλα γραφένης είναι δισδιάστατες, κυψελοειδείς συστοιχίες ατόμων άνθρακα με κάθε άτομο άνθρακα συνδεδεμένο με τρία γειτονικά άτομα σε μια επαναλαμβανόμενη εξαγωνική συστοιχία.

Ξεκινήστε σε οποιοδήποτε δεδομένο άτομο άνθρακα σε εξαγωνική διάταξη (π.χ., επάνω κέντρο) και μπορείτε να μετακινήσετε μονάδες (n, m) μακριά για να βρείτε ένα άλλο άτομο άνθρακα με ίδια γεωμετρία στην εξαγωνική διάταξη (π.χ. Μετακινήστε προς τα δεξιά με ένα ζιγκ-ζαγκ μοτίβο και θα βρείτε μια ίδια διάταξη ατόμων άνθρακα που αυξάνεται μόνο με τον δείκτη n. Μετακινήστε 30 ° προς τα κάτω και προς τα δεξιά σε ένα μοντέλο βραχίονα και θα βρείτε πάλι μια ίδια διάταξη ατόμων άνθρακα όπου n = m.

Η απόσταση και η κατεύθυνση προς τις πρώτες επαναλήψεις ονομάζονται διανύσματα πλέγματος και οι πολλαπλασιαστές (n, m) είναι οι δείκτες .

Τα άτομα άνθρακα σε αυτή τη διάταξη έχουν ηλεκτρόνια σε υβριδικά τροχιακά sp2 (επίπεδη τριγωνική) με το μοναδικό ηλεκτρόνιο στο 2ρ1 τροχιακό που διαχωρίζεται από το γονικό άτομο και είναι ελεύθερο να μετακινηθεί γύρω από το κρυσταλλικό πλέγμα.

Εικόνα του chiral δείκτη φύλλου graphene από τον Mark Hughes

Οι νανοσωλήνες περιγράφονται από τον χειρόμορφο δείκτη τους (n, m). Φανταστείτε την κύλιση ενός φύλλου γραφένιου σε έναν κύλινδρο γύρω από έναν δεδομένο άξονα, έτσι ώστε ένα μόνο άτομο άνθρακα να χαρτογραφείται στην κορυφή ενός άλλου ατόμου άνθρακα στη θέση (n, m). Αυτό δημιουργεί ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο ατόμων άνθρακα των οποίων τα τροχιακά ηλεκτρονίων αλληλεπιδρούν. Δεν είναι πλέον ένα sp 2 τριγωνικό επίπεδο επίπεδο, αλλά δεν είναι αρκετά sp 3 τετράεδρο σχήμα. Οι τροχιές είναι σε μικτό σχήμα sp 2 -sp 3 αλλά ακόμα με ένα ηλεκτρονικό διαχωρισμένο από το γονικό άτομο που κινείται ελεύθερα μεταξύ των ατόμων.

Μπορείτε να απεικονίσετε ένα νανοσωλήνα ως ένα τυλιγμένο φύλλο graphene. Ως παράδειγμα: Φανταστείτε την κύλιση της εικόνας παραπάνω για να σχηματίσουμε έναν κύλινδρο έτσι ώστε το άτομο άνθρακα στη θέση (0, 0) να επικαλύπτει και να αντικαθιστά το άτομο άνθρακα με τη θέση (6, 6). αυτό θα περιγραφόταν ως πολυθρόνα (6, 6) με ένα τοίχωμα νανοσωλήνων άνθρακα.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι νανοσωλήνες δεν κατασκευάζονται από φύλλα κυλίνδρου. Αυτό είναι απλώς ένα εργαλείο απεικόνισης για την περιγραφή ομάδων νανοσωλήνων και την πρόβλεψη των ιδιοτήτων τους.

Ιδιότητες Nanotube

Ένα ηλεκτρόνιο που κινείται γύρω από την περιφέρεια ενός νανοσωλήνα έχει διαφορετική λειτουργία κύματος από ένα ηλεκτρόνιο που κινείται κατά μήκος του σωλήνα. Ο νανοσωλήνας έχει τότε ποικίλα χαρακτηριστικά γύρω από την περιφέρεια, παράλληλα προς τον άξονα και πλευρικά μέσω του άξονα.

Θερμική αγωγιμότηταΜακρύ μήκοςΜέσω του Άξονα
Μονότοιχο Nanotube$$ 3500 \ tfrac {W} {m \ cdot K} $$$$ 1.5 \ tfrac {W} {m \ cdot K} $$
Χαλκός $$ 400 \ tfrac {W} {m \ cdot K} $$
Αλουμίνιο $$ 235 \ tfrac {W} {m \ cdot K} $$
Χρυσός $$ 320 \ tfrac {W} {m \ cdot K} $$

Οι νανοσωλήνες άνθρακα ενός τοίχου είναι ~ 10 φορές περισσότερο θερμικά αγώγιμοι κατά μήκος του χαλκού, αλουμινίου ή χρυσού. Στην πλάγια κατεύθυνση κατά μήκος του άξονά τους, είναι ~ 150-250 φορές λιγότερο θερμικά αγώγιμες από χαλκό, αλουμίνιο ή χρυσό.

Τωρινή πυκνότηταΜακρύ μήκοςΜέσω του Άξονα
Μονότοιχο Nanotube$$ 10 ^ 7-10 ^ {13} \ frac {A} {cm ^ 2} $$αμελητέος
Χαλκός $$ 5 \ times10 ^ 2-5 \ times10 ^ 3 \ frac {A} {cm ^ 2} $$

Η πυκνότητα ρεύματος των νανοσωλήνων άνθρακα είναι όσο ~ 10 τάξεις μεγέθους υψηλότερη από εκείνη του χαλκού.

Περισσότερα για τις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα μπορείτε να βρείτε στο βιβλίο Φυσικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα .

Εφαρμογές και συμπέρασμα

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι πιθανό να υπάρχουν ήδη στο σπίτι σας. Οι ερευνητές έχουν ήδη δημιουργήσει τρανζίστορ, υπολογιστές, τηλεοράσεις και μάρκες ανίχνευσης καρκίνου με νανοσωλήνες άνθρακα.

Εάν είστε στο τέλος της σταδιοδρομίας σας, είναι απίθανο να αγοράσετε ένα ημιαγωγό νανοσωλήνων για να το ενσωματώσετε σε ένα νέο σχεδιασμό προϊόντος. Αλλά αν είστε μηχανικός εισόδου ή μέσης σταδιοδρομίας, θα είστε σε θέση να αγοράσετε NRAM με βάση νανοσωλήνες από τη Fujitsu ήδη από το 2018 και η αγορά θα πρέπει να συνεχίσει να αυξάνεται από εκεί.

Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Nantero.

Αυτό το άρθρο αποφεύγει τη χρήση τεχνικών όρων, όποτε είναι εφικτό, για να προσελκύσει ένα ευρύτερο κοινό. Μερικοί από τους τεχνικούς όρους που χρησιμοποιούνται σε σχέση με τους νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να βρεθούν κάνοντας κλικ στους δεσμούς διασκορπισμένους σε όλο το άρθρο.