Нанотрубки – полые цилиндрические структуры углерода, состоящие из шестиугольных фрагментов. Нанотрубки были открыты Иджимой в 1991 году на углеродном депозите. Он наблюдал с помощью электронного

Теоретическая часть

Нанотрубки – полые цилиндрические структуры углерода, состоящие из шестиугольных фрагментов. Нанотрубки были открыты Иджимой в 1991 году на углеродном депозите. Он наблюдал с помощью электронного микроскопа тонкие нити диаметром порядка нескольких нанометров и длиной до нескольких микрон. Диаметр нанотрубок 1-100нм, длина до нескольких микрон. Впоследствии было обнаружено, что нанотрубки бывают однослойные и многослойные, с открытыми и закрытыми концами.

По структуре различают кресельные, зигзагообразные и хиральные нанотрубки. Нанотрубки могут обладать металлическим или полупроводниковым типом проводимости в зависимости от их структуры. Они могут также менять тип проводимости при деформации. Нанотрубки обладают экстремально высокими упругими свойствами. Модуль упругости нанотрубок 1ТПа (в 5 раз выше, чем для стали), сопротивление на разрыв 60ГПа (в 10 раз выше, чем для стали). Благодаря своим высоким прочностным характеристикам углеродные нанотрубки могут найти применение для создания композиционных материалов нового поколения.

Нанотрубки используются в самых различных сферах: наноэлектронике (ячейки памяти, транзисторы на основе нанотрубок и применение нанотрубок в качестве проводящей разводки для наноэлектронных схем), хранение водорода и других газов(обсуждаются способы заполнения нанотрубок водородом для использования, например, в качестве экологически безопасного автомобильного топлива), создание нанопроводов из нанотрубок, биосенсоры на основе нанотрубок, газовая нанотурбина на основе нанотрубок, медицина(устройства, которые смогут сканировать человеческий организм в поисках молекулярных признаков рака, и определения местонахождения и формы опухолей).

1. Изучение углеродных нанотрубок

Нанотрубки изучаются с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Этим методом можно оценить процентное содержание нанотрубок в нанотрубки содержащей саже, а также их распределение, длину и диаметр.

Описание сканирующего электронного микроскопа JSM-6380 LV

Сканирующий электронный микроскоп JSM-6380 LV позволяет исследовать морфологию поверхности при увеличении от 24 до 300000 раз. Образцы – металлы, диэлектрики, полупроводники, биологические объекты. Общий вид сканирующего электронного микроскопа JSM-6380 LV представлен на рис.9. Рабочая камера микроскопа показана на рис.10.

Рис.1. Общий вид сканирующего электронного микроскопа JSM-6380 LV;

1 – электронный микроскоп, 2 – устройство вывода изображения.

Рис.2 Рабочая камера микроскопа JSM-6380LV

В SEM применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно порядка 10нм. Можно отрегулировать SEM так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экране монитора, развертка которого синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис.11).

Рис.3 ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА СКАНИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА.

1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза;

4 – отклоняющие катушки; 5 – образец;

6 – детектор отраженных электронов и вторичных электронов.

Электроны, идущие от катода (электронной пушки), ускоряются и фокусируются в узкий пучок на образце. Этот пучок перемещается по образцу отклоняющими катушками. Детекторы, расположенные выше образца, регистрируют вторичные и отраженные электроны. Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн. Поскольку контраст, возникающий при регистрации отраженных, т.е. обратно-рассеянных, и вторичных электронов, связан в основном с углом падения электронов на образец, на изображении выявляется поверхностная структура. Оба эти сигнала несут информацию об общих характеристиках образца. Благодаря малой сходимости электронного пучка можно проводить наблюдения с гораздо большей глубиной резкости, чем при работе со световым микроскопом, и получать прекрасные объемные микрофотографии поверхностей с весьма развитым рельефом. В приборе с полным комплексом детекторов, наряду со всеми функциями SEM, предусматривается рабочий режим электронно-зондового микроанализатора.

Порядок работы на SEM JSM-6380LV осуществляются следующим образом. Включается водяное охлаждение для диффузионного насоса. На держатель образцов (рис.12) наклеивается специальная электропроводящая лента.

Рис.4 Держатель образцов.

На нее наклеивается образец (пленка, порошок, объемный образец). Можно одновременно установить 4 образца размером порядка 5×5мм (держатель для образцов пронумерован) или один большой образец диаметром 30мм. С помощью специального устройства можно исследовать торец образца. Напускается воздух в рабочий объем сканирующего электронного микроскопа, открывается рабочая камера и устанавливается держатель с образцами. Затем рабочая камера закрывается. Из рабочей камеры откачивается воздух с помощью двух форвакуумных и одного диффузионного насосов до давления 10^-5Тор. Включается электронная пушка и осуществляется исследование морфологии образцов в режиме отраженных или вторичных электронов. При этом подбираются оптимальные значения увеличения, яркости, контраста. После исследования образцов выключается электронная пушка, напускается воздух в рабочую камеру, извлекаются образцы. Закрывается крышка рабочей камеры, происходит откачка воздуха из рабочей камеры. Выключается электронный микроскоп. Через 20 минут выключается водяное охлаждение для диффузионного насоса. Изображения сохраняются в рабочей папке в цифровом виде. Ранее изображения записывались на черно-белую пленку. После сохранения изображений они могут быть записаны на CD.

Образцы для исследования на сканирующем электронном микроскопе должны иметь параллельные нижнюю и верхнюю поверхность. Верхняя поверхность должна быть отполирована. Для этого применяются следующие методики: шлифование, электрополировка, химическая полировка, ионная бомбардировка, скол (для хрупких образцов) и микротомирование (срез образца). Диэлектрические образцы должны быть покрыты с помощью вакуумного напыления проводящей пленкой из углерода или золота для снятия заряда с образца. Образцы обдуваются специальным устройством для удаления мелких частиц, которые могут повредить микроскоп.

Сканирующая электронная микроскопия позволяет разрешить частицы размером 20-30 ангстрем, что находится за пределами возможностей световой оптики. Варьирование увеличений в широком диапазоне и большая глубина резкости, достигаемая в микроскопе, также являются неоспоримыми преимуществами сканирующей электронной микроскопии. Величина, на которую объективная линза может быть расфокусирована по любую из сторон от плоскости объекта, прежде чем размытие изображения станет сравнимым с достигнутым разрешением , называется глубиной поля D. Глубина поля D – это расстояние между двумя крайними плоскостями, проведенными с каждой из сторон от плоскости объекта. Она связана с угловой апертурой 2α и разрешающей способностью соотношением:

D=2 / α

Для =20А величина D составляет порядка 7000А. Следовательно, на плоскости изображения получается проекция трехмерных деталей структуры.

Практическая часть

Построить структурную модель углеродной нанотрубки с металлическими

и полупроводниковыми свойствами с заданными индексами хиральности (n,m).

Порядок выполнения работы:

1) Рассчитать угол хиральности углеродных нанотрубок.

2) Рассчитать диаметр углеродных нанотрубок.

3) Определить структурный тип углеродных нанотрубок.

4) Рассчитать элементарную ячейку данной нанотрубки

5) Определить какими свойствами обладает данная нанотрубка.

6) На основе полученных результатов изготовить модель углеродной

нанотрубки, используя бумажную модель графенового слоя.

Модель зигзагной нанотрубки

Индексы хиральности нанотрубки (8,1):

1) Угол хиральности рассчитываем по формуле:

, cos α=1; α=0

2) Диаметр нанотрубки (8,1) рассчитаем по формуле:

, D=0.6нм

3) Данная нанотрубка имеет индексы хиральности (8,1), т.е. m=1,

следовательно, она относится к херальным.

4) Для зигзагных нанотрубок ширина ячейки равна (3)^1/2a =0.246 (3)^1/2 =0.43 нм.

Величина вектора С равна:

C= 0.246× =0,246*12=2,09нм

5) Индекс хиральности n=8 кратен 1, следовательно, данная

нанотрубка обладает металлическими свойствами.

Модель хиральной нанотрубки

Индексы хиральности нанотрубки (5,5):

1) Угол хиральности рассчитываем по формуле:

, cos α=0.87 α=30^o

2) Диаметр нанотрубки (8,2) рассчитаем по формуле:

, D=0.07нм

3) Данная нанотрубка имеет индексы хиральности (8,2),следовательно, она относится к хиральным.

4) Для хиральной нанотрубки (8,2) ширина ячейки определяется следующим образом: n-m=3rd_н, где d_н наибольший делитель для индексов n и m, r – целое число.

В нашем случае8-2=3*2 (наибольший делитель для 8 и 2 будет 2). Ширина ячейки:

Т=(3)^1/2*С/d_H

T=8.7нм

Величина вектора С равна:

C= 0.246 = 2.13нм

5) Разность индексов хиральности n-m = 5-5 = 0 кратна 5, следовательно, данная нанотрубка обладает металлическими свойствами.

Заключение

в ходе данной лабораторной работы были изучены основные типы углеродных нанотрубок, а также определена морфология и характерные размеры единичных углеродных нанотрубок и связок углеродных нанотрубок с помощью электронно-микроскопического изображения углеродных нанотрубок, полученных при увеличении ×20000. Была построена структурная модель углеродной нанотрубки с металлическими

и полупроводниковыми свойствами с индексами хиральности (12,0) и (8,2) соответственно.

Дата добавления: 2015-09-30