Углеродные наносвитки: определение, получение, оптимизация

Углеродные наноматериалы подвергаются тщательному изучению уже несколько лет, но до сих пор не все они подробно изучены. Например, пекинские ученые дополнили список таких материалов, добавив к графену, нанолентам и нанотрубкам углеродные наносвитки (УНС).

1_4.jpg Сравнение наноленты, нанотрубки и наносвитка

Наносвиток – скрученный слой графена – обладает многими уникальными свойствами. Например, электронный транспорт зависит от п-п взаимодействия его внешней и внутренней сторон, а ток может протекать не только через внешний цилиндр, как в случае многослойных нанотрубок (МНТ), а по всей поверхности. Их уникальная топология упрощает интеркаляцию, ведь наносвиток не замкнут, и позволяет эффективно использовать их в качестве аккумулятора водорода. Однако пока все это только слова, проверить которые на практике мешало отсутствие способа получить качественные наносвитки и устройства на их основе.

Предложенные ранее методы допускали получение свитков только в смеси с другими формами углерода. Все они основаны на скручивании тонких слоев графита под воздействием ультразвука, однако высокий выход УНС сочетался с низким качеством поверхности, поскольку скручиванию подвергались как монослои графена, так 2, 3 и более слоев.

2_3.jpg Оптическое изображение исходного (a) и скрученного (b)
графена, а также ПЭМ изображение скрученного графена ©.
Расстояние между слоями составляет 0.35 нм

Улучшение качества произошло, когда монослои графита удалось получить простым отшелушиванием. Тогда было показано, что при абсорбции газа такие монослои скручиваются, но позже был предложен еще более простой и эффективный способ. Графеновые слои отшелушивали на предварительно подготовленную подложку (SiO2(285 нм)/Si) и определяли количество слоев методом спектроскопии комбинационного рассеяивания. Затем выбирали монослои и погружали их в чашку Петри с изопропанолом на 5 минут. После сушки в азоте оказалось, что двумерная структура действительно превратилась в одномерную. Изображение ПЭМ подтверждает, что это наносвитки, слои в которых плотно и равномерно упакованы. При этом расстояние между слоями составляет 0.35 нм.

3_3.jpg Схема образования наносвитка

Оптическое исследование позволило выделить следующие этапы формирования наносвитков:

  • под действием контакта верхней поверхности с изопропанолом, а нижней с SiO2, создается напряжение, приводящее к отрыву края графена от подложки;
  • то же натяжение заставляет край приподняться;
  • как только край приближается к поверхности графена, п-п взаимодействие между перекрытыми частями перебивает положительную энергию от закручивания и приводит к формированию свитка;
  • графен практически полностью отделяется от поверхности подложки.

Для оптимизации процесса в качестве переменных выступали следующие факторы:

  1. концентрация изопропанола. В чистом изопропаноле закручивание происходит слишком быстро и часто приводит просто к формированию складчатого графена. Разбавление спирта водой замедляет процесс и улучшает качество свитков.
  2. исходная форма графена. Листы неправильной формы сминались чаще, чем скручивались, и свиток формировался не до конца.
  3. защита от загрязнения. Загрязнения также портят конечный свиток.

КР спектры подтверждают, что образуется не нанотрубка, а именно свиток: так называемая «линия G» в спектрах хотя и уширяется по сравнению с графеном, однако остается гораздо уже, чем в нанотрубке, а «линия D» практически исчезает, в отличие от нанотрубок.

5.jpg КР спектры графена, УНС и УНТ

Для измерения электронных свойств на основе Si/SiO2/УНС был создан полевой транзистор. Его характеристики исследовали при Т=20–300 К. При этом наблюдается температурное изменение сопротивления в 2.2 раза из-за активации носителей заряда. Такая явная температурная зависимость свидетельствует о чистоте продукта и низком уровне примесей.

Кроме того, сравнение проводимости УНС и МНТ показало, что, действительно, способность проводить ток по всей поверхности, а не только по внешнему цилиндру, приводит к возрастанию предельного тока. Зависимость тока от напряжения остается линейной до самого пробоя при 4 В и плотности тока 5×107А/см2, тогда как в случае нанотрубок эта зависимость выходит на насыщение. Такая высокая плотность тока позволяет в перспективе использовать УНС в качестве проводящего материала в микросхемах.

6.jpg 7.jpg

Слева: Полевой транзистор на основе УНС и его полевая характеристика (Т=20–300 К); Справа: Схема проводимости УНТ и УНС и вольт-амперная характеристика УНС

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4.2 (9 votes)
Источник(и):

Нанометр



analit аватар

Такие, но в смеси с посторонней массой разрушенного материала и загрязнённые, «свитки» по моим представлениям есть в десятки лет известном терморасширенном различными веществами графите. Я давно назвал их официально, в своей публикации, более понятным, и абсолютно правильным термином «рулоны». Потому что СВИТОК – это (по определению) свёрнутая трубкой, валиком рукопись на полосе бумаги или другого писчего материала (Папирусный с., Древняя рукопись в свитке). Поэтому предлагаю называть далее такое нанообразование не по-китайски «свиток», а по-русски (от франц. rouleau — рулон, сверток) «рулон», точнее, «нанорулон», а ещё точнее, уж если пошло на приоритет, «углеродный нанорулон Ищенко» (УНРИ) по имении исследователя, давшего точное определение нанообъекту, если до него никто его не называл «нанорулон». Тем более, что за этим высокопроводящим наноэлементом большое будущее. Нельзя сдавать наши российские позиции кому бы то ни было под видом свитка и ложного чувства нескромности! С определённого момента – http://mirnanowo.narod.ru/…elirfile.htm#4 – приходится зорко следить за этим. Вот ещё пример, с изобретением при участии Билла Гейтса, на который меня навели – http://bolshoyforum.org/forum/index.php?… . Пекинским же ученым следует отдать должное не за дополнение списка материалов углеродными наносвитками (УНС), а за способ производства и полученные результаты исследований УНРИ.«5»

analit аватар
Хочу подсказать пекинским учёным, поскольку, я вижу, они решат предлагаемые две задачи, обладая соответствующими методами. 1-я: надо покрыть одну из поверхностей УНРИ тонким изоляционным слоем, чтобы при сворачивании ленты витки не замыкались электрически. 2-я: выяснить, какой частоты ток будет наиболее выгодным при пропускании его в продольном направлении УНРИ. Да они и сами, додумались, наверное, до этих задач, коль решили проблему чистых УНРИ.

Попутно возник у меня вопрос, а применяются ли в электротехнике на переменном токе провода УНРИ-типа? Это же очень выгодно для преумножения поверхностного тока! То есть, изготовленные из длинных лент и свёрнутые в рулоны в поперечном направлении. Что-то я не слышал о таком. Если и нет, то это уже не изобретение, поскольку о существовании УНРИ стало известно, если не ошибаюсь, ещё 09.11.2007–08.12.2007 (о цилиндрических проводах, а также прямоугольного и других сечений, известно давно). Но по площади поверхности проводника многожильные провода выше, а поэтому эффективнее. Но ещё большей внутренней поверхностью, а следовательно более высокой проводимостью переменных токов, будет обладать многожильный провод из множества УНРИ. Сегодня же в Роспатент и другие патентующие учреждения посыпятся заявки на изобретения. Проследим ради интереса!