Nanotubes et nanofibres de carbone. Nanotubes de carbone : types et applications

Le troisième état du carbone (hors diamant et graphite) révolutionne le monde des nouvelles technologies.
Voici des extraits de plusieurs articles (avec des liens vers eux).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
De nombreux domaines prometteurs de la science des matériaux, de la nanotechnologie, de la nanoélectronique et de la chimie appliquée ont récemment été associés aux fullerènes, aux nanotubes et à d'autres structures similaires, que l'on peut appeler le terme général de structures à ossature de carbone. Qu'est-ce que c'est?
Les structures à ossature de carbone sont de grandes (et parfois gigantesques !) molécules composées exclusivement d'atomes de carbone. On peut même dire que les charpentes en carbone sont une nouvelle forme allotropique du carbone (en plus des formes connues de longue date : le diamant et le graphite). La caractéristique principale de ces molécules est leur forme squelettique : elles semblent fermées, vides à l'intérieur de la "coquille".
Enfin, la variété des applications déjà imaginées pour les nanotubes est frappante. La première chose qui s'impose est l'utilisation des nanotubes comme tiges et fils microscopiques très résistants. Comme le montrent les résultats d'expériences et de simulations numériques, le module d'Young d'un nanotube monocouche atteint des valeurs de l'ordre de 1-5 TPa, soit un ordre de grandeur supérieur à celui de l'acier ! Certes, à l'heure actuelle, la longueur maximale des nanotubes est de dizaines et de centaines de microns - ce qui, bien sûr, est très grand à l'échelle atomique, mais trop petit pour un usage quotidien. Cependant, la longueur des nanotubes obtenus en laboratoire augmente progressivement - maintenant les scientifiques se sont déjà approchés de la limite millimétrique : voir l'ouvrage, qui décrit la synthèse d'un nanotube multicouche de 2 mm de long. Il y a donc tout lieu d'espérer que dans un futur proche, les scientifiques apprendront à faire pousser des nanotubes de quelques centimètres voire de plusieurs mètres de long ! Bien sûr, cela affectera grandement les technologies futures : après tout, un « câble » aussi épais qu'un cheveu humain, capable de supporter une charge de centaines de kilogrammes, trouvera d'innombrables applications.
Les propriétés électriques inhabituelles des nanotubes en feront l'un des principaux matériaux de la nanoélectronique. Des prototypes de transistors à effet de champ à base d'un seul nanotube ont déjà été créés : en appliquant une tension de blocage de plusieurs volts, les scientifiques ont appris à modifier la conductivité des nanotubes monocouches de 5 ordres de grandeur !
Plusieurs applications des nanotubes dans l'industrie informatique ont déjà été développées. Par exemple, des prototypes d'écrans plats minces basés sur une matrice de nanotubes ont été créés et testés. Sous l'action d'une tension appliquée à une extrémité du nanotube, des électrons commencent à être émis par l'autre extrémité, qui tombent sur l'écran phosphorescent et font briller le pixel. Le grain d'image résultant sera incroyablement petit : de l'ordre d'un micron !

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Une tentative de photographier des nanotubes à l'aide d'un appareil photo conventionnel avec un flash a conduit au fait que le bloc de nanotubes a émis un fort bruit à la lumière du flash et, en clignotant vivement, a explosé.
Les scientifiques abasourdis affirment que le phénomène « d'explosivité » des tubes découvert de manière inattendue peut trouver de nouvelles utilisations complètement inattendues pour ce matériau - jusqu'à et y compris l'utilisation comme détonateurs pour saper les ogives. Et aussi, évidemment, cela remettra en cause ou rendra difficile leur utilisation dans certains domaines.

http://www.scitelibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Ouvre la perspective d'allonger considérablement la durée de vie des batteries rechargeables

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Structures de nanotubes de carbone - un nouveau matériau pour l'électronique d'émission.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
En 1996, on a découvert que des nanotubes de carbone individuels pouvaient se tordre spontanément en cordons de 100 à 500 tubules de fibres, et la résistance de ces cordons s'est avérée supérieure à celle du diamant. Plus précisément, ils sont 10 à 12 fois plus résistants et 6 fois plus légers que l'acier. Imaginez : un fil d'un diamètre de 1 millimètre pourrait supporter une charge de 20 tonnes, des centaines de milliards de fois supérieure à son propre poids ! C'est à partir de tels fils que vous pouvez obtenir des câbles très résistants de grande longueur. À partir de matériaux tout aussi légers et durables, il est possible de construire un châssis d'ascenseur - une tour géante trois fois le diamètre de la Terre. Les cabines de passagers et de fret le parcourront à une vitesse fulgurante - grâce à des aimants supraconducteurs, qui, encore une fois, seront suspendus à des cordes en nanotubes de carbone. Le flux de fret colossal dans l'espace permettra de commencer l'exploration active d'autres planètes.
Si quelqu'un est intéressé par ce projet, des détails (en russe) peuvent être trouvés, par exemple, sur le site http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Seulement, il n'y a pas un mot sur les tubes en carbone.
Et sur http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt, vous pouvez lire le roman d'Arthur Clarke "Fountains of Paradise", qu'il considérait lui-même comme son meilleur travail.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Selon les experts, la nanotechnologie permettra d'ici 2007 de créer des microprocesseurs qui contiendront environ 1 milliard de transistors et pourront fonctionner à une fréquence allant jusqu'à 20 gigahertz avec une tension d'alimentation inférieure à 1 volt.

transistor à nanotubes
Créé le premier transistor, composé entièrement de nanotubes de carbone. Cela ouvre la perspective de remplacer les puces de silicium conventionnelles par des composants plus rapides, moins chers et plus petits.
Le premier transistor nanotube au monde est un nanotube en forme de Y qui se comporte comme un transistor familier - un potentiel appliqué à l'une des "jambes" vous permet de contrôler le passage du courant entre les deux autres. Dans le même temps, la caractéristique courant-tension du «transistor nanotube» est presque idéale: le courant circule ou non.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Selon un article publié le 20 mai dans la revue scientifique Applied Physics Letters, les spécialistes d'IBM auraient amélioré les transistors à nanotubes de carbone. À la suite d'expériences avec diverses structures moléculaires, les chercheurs ont pu atteindre la conductivité la plus élevée à ce jour pour les transistors à nanotubes de carbone. Plus la conductivité est élevée, plus le transistor fonctionne rapidement et plus des circuits intégrés puissants peuvent être construits sur cette base. De plus, les chercheurs ont découvert que la conductivité des transistors à nanotubes de carbone est plus du double de celle des transistors au silicium les plus rapides de même taille.

http://kv.by/index2003323401.htm
Un groupe de professeur à l'Université de Californie à Berkeley Alex Zettl (Alex Zettl) a fait une autre percée dans le domaine de la nanotechnologie. Les scientifiques ont créé le premier plus petit moteur à l'échelle nanométrique basé sur des nanotubes à parois multiples, comme indiqué dans Nature le 24 juillet. Le nanotube de carbone agit comme une sorte d'axe sur lequel est monté le rotor. Les dimensions maximales d'un nanomoteur sont d'environ 500 nm, le rotor a une longueur de 100 à 300 nm, mais l'axe du nanotube a un diamètre de seulement quelques atomes, c'est-à-dire environ 5-10 nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
La société Nantero, basée à Boston, a récemment annoncé le développement d'un type fondamentalement nouveau de cartes mémoire basées sur la nanotechnologie. Nantes Inc. activement engagé dans le développement de nouvelles technologies, en particulier, accorde une attention considérable à la recherche de moyens de créer une mémoire à accès aléatoire (RAM) non volatile à base de nanotubes de carbone. Dans son discours, un représentant de l'entreprise a annoncé qu'ils étaient sur le point de créer des cartes mémoire de 10 Go. Du fait que la structure du dispositif est à base de nanotubes, il est proposé d'appeler la nouvelle mémoire NRAM (Nonvolatile (non-volatile) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
L'un des résultats de l'étude a été l'utilisation pratique des propriétés exceptionnelles des nanotubes pour mesurer la masse de particules extrêmement petites. Lorsqu'une particule à peser est placée à l'extrémité du nanotube, la fréquence de résonance diminue. Si le nanotube est calibré (c'est-à-dire que son élasticité est connue), il est possible de déterminer la masse de la particule à partir du décalage de la fréquence de résonance.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Parmi les premières applications commerciales figureront l'ajout de nanotubes dans des peintures ou des plastiques pour rendre ces matériaux conducteurs d'électricité. Cela permettra de remplacer les pièces métalliques par des pièces en polymère dans certains produits.
Les nanotubes de carbone sont un matériau coûteux. Maintenant, CNI le vend 500 $ le gramme. En outre, la technologie de nettoyage des nanotubes de carbone - séparant les bons tubes des mauvais - et la méthode d'introduction des nanotubes dans d'autres produits doivent être améliorées. Certains défis peuvent nécessiter une découverte de niveau Nobel, déclare Joshua Wolf, associé directeur de la société de capital-risque en nanotechnologie Lux Capital.

Les chercheurs se sont intéressés aux nanotubes de carbone en raison de leur conductivité électrique, qui s'est avérée supérieure à celle de tous les conducteurs connus. Ils ont également une excellente conductivité thermique, une stabilité chimique, une résistance mécanique extrême (jusqu'à 1 000 fois plus résistante que l'acier) et, plus surprenant, des propriétés semi-conductrices lorsqu'elles sont tordues ou pliées. Pour travailler, on leur donne la forme d'un anneau. Les propriétés électroniques des nanotubes de carbone peuvent être similaires à celles des métaux ou des semi-conducteurs (selon l'orientation des polygones de carbone par rapport à l'axe du tube), c'est-à-dire dépendent de leur taille et de leur forme.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Les nanotubes conducteurs métalliques peuvent supporter des densités de courant 102 à 103 fois plus élevées que les métaux conventionnels, et les nanotubes semi-conducteurs peuvent être allumés et éteints électriquement au moyen d'un champ généré par une électrode, permettant la création de FET.
Les scientifiques d'IBM ont développé une méthode appelée "destruction constructive" qui leur a permis de détruire tous les nanotubes métalliques tout en laissant intacts ceux des semi-conducteurs.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Les nanotubes de carbone ont trouvé une autre utilisation dans la lutte pour la santé humaine - cette fois, les scientifiques chinois ont utilisé des nanotubes pour purifier l'eau potable du plomb.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Nous écrivons régulièrement sur les nanotubes de carbone, mais en fait, il existe d'autres types de nanotubes fabriqués à partir de divers matériaux semi-conducteurs. Les scientifiques sont capables de faire croître des nanotubes avec une épaisseur de paroi, un diamètre et une longueur précisément spécifiés.
Les nanotubes peuvent être utilisés comme nanotuyaux pour le transport de liquides, ils peuvent également servir d'embouts de seringue avec une quantité précisément calibrée de nanogouttelettes. Les nanotubes peuvent être utilisés comme nanoforets, nanopinces, embouts pour microscopes à effet tunnel. Des nanotubes à parois suffisamment épaisses et de petits diamètres peuvent servir de supports de support pour des nanoobjets, tandis que des nanotubes à grands diamètres et à parois minces peuvent servir de nanoconteneurs et de nanocapsules. Les nanotubes fabriqués à partir de composés à base de silicium, dont le carbure de silicium, sont particulièrement adaptés à la fabrication de produits mécaniques car ces matériaux sont solides et élastiques. En outre, les nanotubes à l'état solide peuvent être utilisés en électronique.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
La division de recherche d'IBM Corporation a annoncé une réalisation importante dans le domaine des nanotechnologies. Les spécialistes d'IBM Research ont réussi à faire briller les nanotubes de carbone - un matériau extrêmement prometteur qui sous-tend de nombreux développements nanotechnologiques à travers le monde.
Le nanotube électroluminescent ne mesure que 1,4 nm de diamètre, 50 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. C'est le plus petit dispositif électroluminescent à semi-conducteurs jamais fabriqué. Sa création est le résultat d'un programme d'étude des propriétés électriques des nanotubes de carbone, mené chez IBM ces dernières années.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Outre la création de nanofils métalliques déjà évoquée ci-dessus, qui est encore loin d'être mise en œuvre, le développement d'émetteurs dits froids sur nanotubes est en vogue. Les émetteurs froids sont un élément clé du téléviseur à écran plat du futur, ils remplacent les émetteurs chauds des tubes à rayons cathodiques modernes, et ils vous permettent également de vous débarrasser des tensions d'overclocking gigantesques et dangereuses de 20-30 kV. À température ambiante, les nanotubes sont capables d'émettre des électrons, produisant un courant de même densité qu'une anode de tungstène standard à près de mille degrés, et même à une tension de seulement 500 V. (Et les rayons X nécessitent des dizaines de kilovolts et un température de 1500 degrés (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Des valeurs élevées du module d'élasticité des nanotubes de carbone permettent de créer des matériaux composites qui offrent une résistance élevée aux déformations élastiques ultra-élevées. À partir de ce matériau, il sera possible de fabriquer des tissus ultra-légers et résistants pour les vêtements des pompiers et des astronautes.
Pour de nombreuses applications technologiques, la surface spécifique élevée du matériau nanotube est attractive. Au cours de la croissance, des nanotubes hélicoïdaux orientés de manière aléatoire se forment, ce qui conduit à la formation d'un nombre important de cavités et de vides de taille nanométrique. De ce fait, la surface spécifique du matériau nanotube atteint des valeurs d'environ 600 m2/g. Une surface spécifique aussi élevée ouvre la possibilité de leur utilisation dans des filtres et autres dispositifs de technologie chimique.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Un nanocâble reliant la Terre à la Lune à partir d'un seul tube pourrait être enroulé sur une bobine de la taille d'une graine de pavot.
En termes de résistance, les nanotubes sont 50 à 100 fois plus résistants que l'acier (bien que les nanotubes soient six fois moins denses). Le module d'Young, caractéristique de la résistance d'un matériau à la traction axiale et à la compression, est en moyenne deux fois plus élevé pour les nanotubes que pour les fibres de carbone. Les tubes sont non seulement solides, mais également flexibles et, dans leur comportement, ne ressemblent pas à des pailles cassantes, mais à des tubes en caoutchouc dur.
Un filament de 1 mm de diamètre, constitué de nanotubes, pourrait supporter une charge de 20 tonnes, soit plusieurs centaines de milliards de fois sa propre masse.
Un groupe international de scientifiques a montré que les nanotubes peuvent être utilisés pour créer des muscles artificiels qui, avec le même volume, peuvent être trois fois plus résistants que les muscles biologiques, ne craignent pas les températures élevées, le vide et de nombreux réactifs chimiques.
Les nanotubes sont un matériau idéal pour stocker en toute sécurité des gaz dans des cavités internes. Tout d'abord, cela s'applique à l'hydrogène, qui aurait longtemps été utilisé comme carburant pour les voitures, si encombrant, à paroi épaisse, lourd et dangereux pour pousser les bouteilles de stockage d'hydrogène ne privait pas l'hydrogène de son principal avantage - une grande quantité d'énergie et libéré par unité de masse (seulement environ 3 kg de H2 sont nécessaires pour 500 km de trajet en voiture). Il serait possible de remplir le "réservoir de gaz" avec des nanotubes immobiles sous pression, et d'en extraire le carburant - en chauffant légèrement le "réservoir de gaz". Afin de surpasser les bouteilles de gaz ordinaires en termes de masse et de densité volumique d'énergie stockée et (masse d'hydrogène rapportée à sa masse avec l'enveloppe ou à son volume avec l'enveloppe), des nanotubes avec des cavités de diamètre relativement important - plus de 2 -3 nm sont nécessaires.
Des biologistes ont réussi à introduire de petites protéines et des molécules d'ADN dans la cavité des nanotubes. Il s'agit à la fois d'une méthode d'obtention de catalyseurs d'un nouveau type et, à terme, d'une méthode de délivrance de molécules biologiquement actives et de médicaments à divers organes.

En raison de leurs propriétés uniques, les nanotubes de carbone sont un objet attractif de la science fondamentale, d'une part, et, d'autre part, un large éventail d'applications.

5.1. Propriétés mécaniques des nanotubes

Les nanotubes ont une résistance anormalement élevée à la traction, à la flexion et à la torsion.

La contrainte mécanique S dans le tube est définie comme le rapport de la charge W sur la section du tube A : . La déformation relative ε est définie comme le rapport de l'allongement ΔL du tube sur sa longueur L avant chargement : ε = ΔL/L. Selon la loi de Hooke, la contrainte σ est proportionnelle à la déformation relative : σ=Еε. Le coefficient de proportionnalité E=LW/AΔL est appelé module d'Young et est une propriété d'un matériau particulier qui caractérise son élasticité. Plus la valeur du module de Young est élevée, plus le matériau est malléable. Le module de Young des nanotubes de carbone varie de 1,28 à 1,8 TPa, tandis que le module de Young de l'acier est presque 10 fois inférieur (0,21 TPa). Ceci implique que le nanotube de carbone est très rigide et difficile à plier. Cependant, ce n'est pas le cas du fait que les nanotubes sont très fins. La déflexion d'une tige cylindrique vide de longueur L, de rayon intérieur ri et de rayon extérieur r 0 sous l'action d'une force F appliquée à son extrémité normale à l'axe est donnée par l'expression : D=FL 3 /3EI, où I= π(r 0 4 - ri 4)/ 4 - moment d'inertie de la section de tige. L'épaisseur de paroi d'un nanotube monocouche étant de - 0,34 nm, la valeur de r 0 4 – r i 4 est très faible, ce qui compense la valeur élevée du module d'Young.

Les nanotubes de carbone sont très élastiques lorsqu'ils sont pliés. Ils ne cassent pas et peuvent se redresser sans dommage, car. présentent peu de défauts structuraux (dislocations, joints de grains). De plus, les anneaux de carbone des parois en forme d'hexagones réguliers changent de structure lorsqu'ils sont pliés. Ceci est une conséquence du fait que les liaisons carbone-carbone sp 2 sont hybridées et peuvent se réhybrider lorsqu'elles sont pliées.

La résistance à la traction caractérise la contrainte nécessaire pour rompre. La résistance à la traction d'un nanotube de carbone à paroi simple est de 45 GPa, alors que pour l'acier, elle est de 2 GPa. Les nanotubes multiparois ont également de meilleures propriétés mécaniques que l'acier, mais elles sont inférieures à celles des nanotubes monoparois. Par exemple, un nanotube multicouche de 200 nm de diamètre a une résistance à la traction de 7 GPa et un module d'Young de 0,6 TPa.

Le tableau 1 présente les principales caractéristiques mécaniques des nanotubes de carbone monoparois en comparaison avec des matériaux connus.

Tableau 1.

Matériel	Module d'élasticité, GPa	La résistance rupture, GPa	Densité, g/cm 3
Nanotube de carbone monocouche
Graphite noyau

Aluminium

5.2. Conductivité des nanotubes de carbone

La mesure de la conductivité de nanotubes individuels est une tâche plutôt difficile. Il faut utiliser un microscope à force atomique, et il s'avère que la résistance des nanotubes métalliques est d'environ 1 à 10 kΩ. Cette résistance correspond au mécanisme de transfert de charge balistique, dans lequel l'électron surmonte un morceau de tube d'environ 1 micron sans se diffuser, car cela se produit dans le vide. La conductivité des nanotubes dépend non seulement de la chiralité, mais aussi des défauts structuraux et de la présence de radicaux attachés (OH, CO, etc.).

De plus, la conductivité d'un nanotube est extrêmement sensible au degré de sa courbure. Par exemple, la conductivité d'une section droite d'un nanotube monocouche qui ne subit pas de charge externe à température ambiante est d'environ 100 μS, ce qui correspond à une résistance de 10 kΩ. En ordre de grandeur, cette valeur est comparable à la valeur d'un seul quantum de conductance 4e 2 /h = 154 µS, ce qui correspond au mécanisme balistique de transfert de charge (les électrons franchissent la longueur du nanotube sans se diffuser). En raison de la courbure du nanotube d'un angle de 105°, sa conductivité diminue d'un facteur 100, atteignant une valeur de ~1 µS. L'étude de la dépendance en température de la conductivité de la section coudée du nanotube a permis d'établir qu'un électron tunnelise à travers la courbure (Fig. 18). Par conséquent, en pliant le tube, il est possible de créer une transition tunnel dans celui-ci et des dispositifs basés sur celui-ci.

Si un nanotube a des propriétés semi-conductrices, alors sa résistance est de plusieurs dizaines de MΩ, et elle n'est pas répartie uniformément sur la longueur, comme dans un conducteur normal, mais est concentrée dans des "barrières" situées environ tous les 100 nm sur la longueur du nanotube.

D'après les données expérimentales obtenues, la résistance d'un nanotube multicouche est décrite avec une bonne précision par la relation ;

où p ≈ 700 Ω/cm est la résistivité du nanotube ; L est la longueur du nanotube ; D est le diamètre du nanotube.

Ce comportement de résistance indique la nature non balistique du transfert de charge. Par conséquent, un nanotube multicouche est un conducteur bidimensionnel de longueur L et d'épaisseur D.

Selon l'angle chiral, un nanotube peut avoir des propriétés métalliques ou semi-conductrices. Dans ce cas, une caractéristique aussi importante des propriétés électroniques d'un nanotube semi-conducteur que la bande interdite ε g est déterminée par ses paramètres géométriques : indices de chiralité et diamètre (Fig. 19).

Les nanotubes de carbone sont l'avenir des technologies innovantes. La production et l'introduction de nanotubulènes amélioreront la qualité des marchandises et des produits, en réduisant considérablement leur poids et en augmentant leur résistance, tout en leur conférant de nouvelles caractéristiques.

Les nanotubes de carbone ou nanostructure tubulaire (nanotubulène) sont des structures cylindriques creuses mono ou multiparois créées artificiellement en laboratoire, obtenues à partir d'atomes de carbone et possédant des propriétés mécaniques, électriques et physiques exceptionnelles.

Les nanotubes de carbone sont fabriqués à partir d'atomes de carbone et ont la forme de tubes ou de cylindres. Ils sont très petits (à l'échelle nanométrique), avec un diamètre de un à plusieurs dizaines de nanomètres et une longueur pouvant atteindre plusieurs centimètres. Les nanotubes de carbone sont composés de graphite, mais ont d'autres caractéristiques qui ne sont pas caractéristiques du graphite. Ils n'existent pas dans la nature. Leur origine est artificielle. Le corps des nanotubes est synthétique, créé par des personnes indépendamment du début à la fin.

Si vous regardez un nanotube grossi un million de fois, vous pouvez voir un cylindre allongé constitué d'hexagones équilatéraux avec des atomes de carbone à leurs sommets. Il s'agit d'un avion en graphite enroulé dans un tube. La chiralité d'un nanotube détermine ses caractéristiques physiques et ses propriétés.

Agrandi un million de fois, un nanotube est un cylindre allongé constitué d'hexagones équilatéraux avec des atomes de carbone à leurs sommets. Il s'agit d'un avion en graphite enroulé dans un tube.

La chiralité est la propriété d'une molécule de ne pas coïncider dans l'espace avec son image miroir.

Plus clairement, la chiralité est lorsque vous pliez, par exemple, une feuille de papier uniformément. Si obliquement, alors c'est déjà l'akhiralité. Les nanotubulènes peuvent avoir des structures monocouches et multicouches. Une structure multicouche n'est rien d'autre que plusieurs nanotubes monocouches "habillés" un à un.

Historique de la découverte

La date exacte de découverte des nanotubes et leur découvreur sont inconnus. Ce sujet est matière à débat et à raisonnement, car il existe de nombreuses descriptions parallèles de ces structures par des scientifiques de différents pays. La principale difficulté pour identifier le découvreur réside dans le fait que les nanotubes et les nanofibres, tombant dans le champ de vision des scientifiques, n'ont pas attiré leur attention pendant longtemps et n'ont pas été étudiés avec soin. Les travaux scientifiques existants prouvent que la possibilité de créer des nanotubes et des fibres à partir de matériaux contenant du carbone était théoriquement autorisée dans la seconde moitié du siècle dernier.

La principale raison pour laquelle des études sérieuses sur les composés microniques du carbone n'ont pas été menées pendant longtemps est qu'à l'époque les scientifiques ne disposaient pas d'une base scientifique suffisamment puissante pour la recherche, à savoir qu'il n'existait aucun équipement capable d'élargir l'objet d'étude au degré requis et brillant à travers leur structure. .

Si nous organisons les événements de l'étude des composés de nanocarbone par ordre chronologique, la première preuve tombe sur 1952, lorsque les scientifiques soviétiques Radushkevich et Lukyanovich ont attiré l'attention sur la structure nanofibreuse formée lors de la décomposition thermique du monoxyde de carbone (le nom russe est oxyde ). La structure observée à l'aide d'un équipement de microscope électronique avait des fibres d'un diamètre d'environ 100 nm. Malheureusement, les choses ne sont pas allées plus loin que la fixation d'une nanostructure inhabituelle, et aucune autre recherche n'a suivi.

Après 25 ans d'oubli, depuis 1974, des informations sur l'existence de structures tubulaires micrométriques en carbone commencent à tomber dans les journaux. Ainsi, un groupe de scientifiques japonais (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) lors de recherches en 1974-1975. ont présenté au grand public les résultats d'un certain nombre de leurs études, qui contenaient une description de tubes minces de diamètre inférieur à 100 Å, obtenus à partir de vapeurs lors de la condensation. En outre, la formation de structures creuses avec une description de la structure et du mécanisme de formation obtenue lors de l'étude des propriétés du carbone a été décrite par des scientifiques soviétiques de l'Institut de catalyse de la branche sibérienne de l'Académie des sciences de l'URSS en 1977.

Å (Agström) - une unité de mesure des distances, égale à 10−10 M. Dans le système SI, une unité de valeur proche de l'angström est un nanomètre (1 nm = 10 Å).

Les fullerènes sont des molécules creuses et sphériques en forme de ballon ou de ballon de rugby.

Les fullerènes sont la quatrième modification du carbone, jusque-là inconnue, découverte par le chimiste et astrophysicien anglais Harold Kroto.

Et seulement après avoir utilisé les derniers équipements dans leurs recherches scientifiques, ce qui leur permet d'examiner en détail et de briller à travers la structure du carbone des nanotubes, le scientifique japonais Sumio Iijima a mené la première recherche sérieuse en 1991, à la suite de laquelle les nanotubes de carbone ont été expérimentalement obtenu et étudié en détail. .

Dans ses recherches, le professeur Ijima a exposé du graphite pulvérisé à une décharge d'arc électrique pour obtenir un prototype. Le prototype a été soigneusement mesuré. Ses dimensions ont montré que le diamètre des filaments (carcasse) ne dépasse pas quelques nanomètres, avec une longueur de un à plusieurs microns. En étudiant la structure d'un nanotube de carbone, les scientifiques ont découvert que l'objet étudié peut avoir de une à plusieurs couches, constituées d'une grille hexagonale en graphite à base d'hexagones. Dans ce cas, les extrémités des nanotubes ressemblent structurellement à la moitié d'une molécule de fullerène coupée en deux.

Au moment des études ci-dessus, il y avait déjà des travaux de scientifiques bien connus dans leur domaine comme Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, prédisant la possibilité de formation de cette forme allotropique de carbone, décrivant sa structure, ses propriétés physiques, chimiques et autres.

La structure multicouche d'un nanotube n'est rien d'autre que plusieurs nanotubules monocouches, "habillés" un à un selon le principe des poupées gigognes russes

Propriétés électrophysiques

Les propriétés électrophysiques des nanotubes de carbone font l'objet d'un examen minutieux par les communautés scientifiques du monde entier. En concevant des nanotubes dans certains rapports géométriques, il est possible de leur conférer des propriétés conductrices ou semiconductrices. Par exemple, le diamant et le graphite sont tous deux du carbone, mais en raison de différences de structure moléculaire, ils ont des propriétés différentes et, dans certains cas, opposées. De tels nanotubes sont dits métalliques ou semi-conducteurs.

Les nanotubes qui conduisent l'électricité même à des températures nulles absolues sont métalliques. La conductivité nulle du courant électrique au zéro absolu, qui augmente avec l'augmentation de la température, indique la caractéristique d'une nanostructure semi-conductrice.

La classification principale est distribuée selon la méthode de pliage du plan graphite. La méthode de pliage est indiquée par deux nombres : "m" et "n", qui définissent la direction de pliage le long des vecteurs du réseau de graphite. Les propriétés des nanotubes dépendent de la géométrie du plan de pliage du graphite, par exemple, l'angle de torsion affecte directement leurs propriétés électrophysiques.

Selon les paramètres (n, m), les nanotubes peuvent être : droits (achiraux), dentelés ("fauteuil"), en zigzag et hélicoïdaux (chiraux). Pour le calcul et la planification de la conductivité électrique, la formule du rapport des paramètres est utilisée : (n-m) / 3.

Un nombre entier obtenu dans le calcul indique la conductivité d'un nanotube de type métallique, et un nombre fractionnaire indique un type de semi-conducteur. Par exemple, tous les tubes de type "chaise" sont en métal. Les nanotubes de carbone de type métallique conduisent le courant électrique au zéro absolu. Les nanotubulènes de type semi-conducteur ont une conductivité nulle au zéro absolu, qui augmente avec l'augmentation de la température.

Les nanotubes à conductivité de type métallique peuvent transmettre environ un milliard d'ampères par centimètre carré. Le cuivre, étant l'un des meilleurs conducteurs métalliques, est inférieur de plus de mille fois aux nanotubes dans ces indicateurs. Lorsque la limite de conductivité est dépassée, un échauffement se produit, qui s'accompagne de la fusion du matériau et de la destruction du réseau moléculaire. Cela ne se produit pas avec les nanotubulènes dans des conditions égales. Cela est dû à leur conductivité thermique très élevée, qui est le double de celle du diamant.

En termes de résistance, le nanotubulène laisse également d'autres matériaux loin derrière. Il est 5 à 10 fois plus résistant que les alliages d'acier les plus résistants (1,28 à 1,8 TPa selon le module de Young) et possède une élasticité 100 000 fois supérieure à celle du caoutchouc. Si nous comparons les indicateurs de résistance à la traction, ils dépassent de 20 à 22 fois les caractéristiques de résistance similaires de l'acier de haute qualité!

Comment obtenir l'ONU

Les nanotubes sont obtenus par des procédés à haute et basse température.

Les méthodes à haute température comprennent l'ablation au laser, la technologie solaire ou la décharge à l'arc électrique. La méthode à basse température a incorporé le dépôt chimique en phase vapeur utilisant la décomposition catalytique des hydrocarbures, la croissance catalytique en phase gazeuse à partir du monoxyde de carbone, la production par électrolyse, le traitement thermique des polymères, la pyrolyse locale à basse température ou la catalyse locale. Toutes les méthodes sont difficiles à comprendre, de haute technologie et très coûteuses. La production de nanotubes ne peut être financée que par une grande entreprise avec une base scientifique solide.

Simplifié, le procédé d'obtention de nanotubes à partir de carbone par la méthode de l'arc est le suivant :

Un plasma à l'état gazeux est introduit dans un réacteur chauffé à une certaine température en circuit fermé à travers un appareil d'injection. Dans le réacteur, dans les parties supérieure et inférieure, des bobines magnétiques sont installées, dont l'une est l'anode et l'autre la cathode. Les bobines magnétiques sont alimentées par un courant électrique constant. Le plasma dans le réacteur est affecté par un arc électrique, qui est également mis en rotation par un champ magnétique. Sous l'action d'un arc électroplasma à haute température issu de la surface de l'anode, qui est constituée d'un matériau carboné (graphite), le carbone s'évapore ou « claque » et se condense sur la cathode sous forme de nanotubes de carbone contenus dans le précipité. Pour que les atomes de carbone puissent se condenser sur la cathode, la température dans le réacteur est abaissée. Même une brève description de cette technologie permet d'évaluer la complexité et le coût d'obtention des nanotubulènes. Il faudra beaucoup de temps avant que le processus de production et d'application ne devienne accessible à la plupart des entreprises.

Galerie de photos: Schéma et équipement pour obtenir des nanotubes à partir de carbone

Installation de synthèse de nanotubes de carbone monoparois par la méthode de l'arc électrique Installation scientifique de petite puissance pour l'obtention d'une nanostructure tubulaire
Méthode de production à basse température

Installation de production de nanotubes longs de carbone

Sont-ils toxiques ?

Définitivement oui.

Au cours des recherches en laboratoire, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que les nanotubes de carbone avaient des effets néfastes sur les organismes vivants. Ceci, à son tour, confirme la toxicité des nanotubes, et il est de moins en moins nécessaire pour les scientifiques de douter de cette question importante.

Des études ont montré que l'interaction directe des nanotubes de carbone avec des cellules vivantes conduit à leur mort. Les nanotubes à paroi unique, en particulier, ont une forte activité antimicrobienne. Les scientifiques ont commencé à mener des expériences sur une culture commune du royaume des bactéries (E. coli) E-Coli. Au cours de la recherche, des nanotubes monocouches d'un diamètre de 0,75 à 1,2 nanomètres ont été utilisés. Comme les expériences l'ont montré, suite à l'impact des nanotubes de carbone sur une cellule vivante, les parois cellulaires (membranes) sont endommagées mécaniquement.

Les nanotubes obtenus par d'autres méthodes contiennent une grande quantité de métaux et d'autres impuretés toxiques. De nombreux scientifiques supposent que la toxicité même des nanotubes de carbone ne dépend pas de leur morphologie, mais est directement liée aux impuretés qu'ils contiennent (nanotubes). Cependant, les travaux menés par des scientifiques de Yale dans le domaine de la recherche sur les nanotubes ont montré une représentation erronée de nombreuses communautés. Ainsi, les bactéries Escherichia coli (E-Coli) en cours de recherche ont été soumises à un traitement avec des nanotubes de carbone monoparois pendant une heure. En conséquence, la plupart des E-Coli sont morts. Ces études dans le domaine des nanomatériaux ont confirmé leur toxicité et leur impact négatif sur les organismes vivants.

Les scientifiques sont arrivés à la conclusion que les nanotubes à simple paroi sont les plus dangereux, cela est dû au rapport proportionnel entre la longueur d'un nanotube de carbone et son diamètre.

Diverses études sur l'effet des nanotubes de carbone sur le corps humain ont conduit les scientifiques à la conclusion que l'effet est identique, comme dans le cas des fibres d'amiante pénétrant dans le corps. Le degré d'impact négatif des fibres d'amiante dépend directement de leur taille : plus elles sont petites, plus l'impact négatif est fort. Et dans le cas des nanotubes de carbone, il n'y a aucun doute sur leur effet négatif sur le corps. Entrant dans le corps avec de l'air, le nanotube se dépose à travers la plèvre dans la poitrine, provoquant ainsi de graves complications, en particulier des tumeurs cancéreuses. Si la pénétration des nanotubulènes dans le corps se fait par les aliments, ils se déposent sur les parois de l'estomac et des intestins, provoquant diverses maladies et complications.

Actuellement, les scientifiques mènent des recherches sur la compatibilité biologique des nanomatériaux et la recherche de nouvelles technologies pour la production sûre de nanotubes de carbone.

perspectives

Les nanotubes de carbone occupent une large gamme d'applications. Cela est dû au fait qu'ils ont une structure moléculaire en forme de charpente leur permettant ainsi d'avoir des propriétés différentes de celles du diamant ou du graphite. C'est précisément en raison de leurs particularités (résistance, conductivité, courbure) que les nanotubes de carbone sont plus souvent utilisés que les autres matériaux.

Cette invention de carbone est utilisée dans l'électronique, l'optique, l'ingénierie mécanique, etc. Les nanotubes de carbone sont utilisés comme additifs à divers polymères et composites pour améliorer la résistance des composés moléculaires. Après tout, tout le monde sait que le réseau moléculaire des composés de carbone a une force incroyable, surtout sous sa forme pure.

Les nanotubes de carbone sont également utilisés dans la fabrication de condensateurs et de divers types de capteurs, les anodes, qui sont nécessaires à la fabrication des batteries, comme absorbeur d'ondes électromagnétiques. Ce composé de carbone a trouvé une large application dans le domaine de la fabrication des réseaux de télécommunication et des écrans à cristaux liquides. De plus, les nanotubes sont utilisés comme amplificateur de propriétés catalytiques dans la production de dispositifs d'éclairage.

Application commerciale

Marché	Application	Propriétés des compositions à base de nanotubes de carbone
Voitures	Pièces du système de carburant et conduites de carburant (connecteurs, pièces de pompe, joints toriques, tubes), pièces de carrosserie externes pour la peinture électrique (pare-chocs, boîtiers de rétroviseurs, bouchons de réservoir de carburant)	Meilleur équilibre des propriétés par rapport au noir de carbone, recyclabilité pour les grandes pièces, résistance à la déformation
Électronique	Outils et équipements technologiques, cassettes de wafers, bandes transporteuses, fonds de panier, équipements de salle blanche	Amélioration de la pureté des mélanges par rapport aux fibres de carbone, contrôle de la résistivité de surface, maniabilité pour couler des pièces minces, résistance à la déformation, équilibre des propriétés, possibilités alternatives des mélanges plastiques par rapport aux fibres de carbone

Les nanotubes de carbone ne sont pas limités à certains domaines d'application dans diverses industries. Le matériau a été inventé relativement récemment et, à cet égard, il est actuellement largement utilisé dans le développement scientifique et la recherche dans de nombreux pays du monde. Cela est nécessaire pour une étude plus détaillée des propriétés et des caractéristiques des nanotubes de carbone, ainsi que pour la mise en place d'une production à grande échelle du matériau, car il occupe actuellement une position plutôt faible sur le marché.

Les nanotubes de carbone sont utilisés pour refroidir les microprocesseurs.

En raison de leurs bonnes propriétés conductrices, l'utilisation des nanotubes de carbone en génie mécanique occupe un large éventail. Ce matériau est utilisé comme dispositifs de refroidissement d'agrégats de dimensions massives. Ceci est principalement dû au fait que les nanotubes de carbone ont une conductivité thermique spécifique élevée.

L'utilisation des nanotubes dans le développement de la technologie informatique joue un rôle important dans l'industrie électronique. Grâce à l'utilisation de ce matériau, la production a été établie pour la fabrication d'écrans assez plats. Cela contribue à la production d'équipements informatiques compacts, mais en même temps, les caractéristiques techniques des ordinateurs électroniques ne sont pas perdues, mais augmentent même. L'utilisation des nanotubes de carbone dans le développement de la technologie informatique et de l'industrie électronique permettra de réaliser la production d'équipements qui seront plusieurs fois supérieurs en termes de caractéristiques techniques aux analogues actuels. Sur la base de ces études, des kinéscopes à haute tension sont déjà en cours de création.

Premier processeur de nanotubes de carbone

Problèmes d'utilisation

L'un des problèmes de l'utilisation des nanotubes est l'impact négatif sur les organismes vivants, ce qui jette un doute sur l'utilisation de ce matériau en médecine. Certains des experts suggèrent qu'il peut y avoir des risques non évalués dans le processus de production de masse de nanotubes de carbone. C'est-à-dire qu'en raison de l'élargissement de la portée des nanotubes, leur production à grande échelle sera nécessaire et, par conséquent, il y aura une menace pour l'environnement.

Les scientifiques proposent de rechercher des moyens de résoudre ce problème dans l'application de méthodes et de méthodes plus respectueuses de l'environnement pour la production de nanotubes de carbone. Il a également été suggéré que les fabricants de ce matériau adoptent une approche sérieuse de la question du «nettoyage» des conséquences du processus CVD, qui, à son tour, peut affecter l'augmentation du coût des produits.

Photo de l'impact négatif des nanotubes sur les cellules a) cellules d'Escherichia coli avant exposition aux nanotubes ; b) cellules après exposition aux nanotubes

Dans le monde moderne, les nanotubes de carbone apportent une contribution significative au développement de technologies innovantes. Les experts donnent des prévisions pour une augmentation de la production de nanotubes dans les années à venir et une baisse des prix de ces produits. Ceci, à son tour, élargira la portée des nanotubes et augmentera la demande des consommateurs sur le marché.

Les nanotubes de carbone sont le matériau dont rêvent de nombreux scientifiques. Le facteur de résistance élevé, l'excellente conductivité thermique et électrique, la résistance au feu et le coefficient de poids sont d'un ordre de grandeur supérieur à la plupart des matériaux connus. Les nanotubes de carbone sont une feuille de graphène enroulée dans un tube. Les scientifiques russes Konstantin Novoselov et Andrey Geim ont reçu le prix Nobel en 2010 pour sa découverte.

Pour la première fois, des scientifiques soviétiques ont pu observer des tubes de carbone à la surface d'un catalyseur en fer en 1952. Cependant, il a fallu cinquante ans aux scientifiques pour voir dans les nanotubes un matériau prometteur et utile. L'une des propriétés frappantes de ces nanotubes est que leurs propriétés sont déterminées par la géométrie. Ainsi, leurs propriétés électriques dépendent de l'angle de torsion - les nanotubes peuvent démontrer une conductivité semi-conductrice et métallique.

Qu'est-ce que c'est

De nombreux domaines prometteurs de la nanotechnologie sont aujourd'hui associés aux nanotubes de carbone. En termes simples, les nanotubes de carbone sont des molécules géantes ou des structures de charpente constituées uniquement d'atomes de carbone. Il est facile d'imaginer un tel nanotube si nous imaginons que le graphène est enroulé dans un tube - c'est l'une des couches moléculaires du graphite. La méthode de pliage des nanotubes détermine en grande partie les propriétés finales d'un matériau donné.

Naturellement, personne ne crée des nanotubes en les laminant spécialement à partir d'une feuille de graphite. Les nanotubes se forment eux-mêmes, par exemple, à la surface des électrodes de carbone ou entre elles lors d'une décharge en arc. Les atomes de carbone pendant la décharge s'évaporent de la surface et se combinent les uns avec les autres. En conséquence, des nanotubes de différents types sont formés - multicouches, monocouches et avec différents angles de torsion.

La classification principale des nanotubes est basée sur le nombre de leurs couches constitutives :

Les nanotubes à simple paroi sont le type de nanotubes le plus simple. La plupart d'entre eux ont un diamètre de l'ordre de 1 nm avec une longueur pouvant être des milliers de fois supérieure ;
nanotubes multicouches, constitués de plusieurs couches de graphène, ils se replient en forme de tube. Une distance de 0,34 nm est formée entre les couches, c'est-à-dire identique à la distance entre les couches dans un cristal de graphite.

Appareil

Les nanotubes sont des structures cylindriques étendues de carbone, qui peuvent mesurer jusqu'à plusieurs centimètres de long et de un à plusieurs dizaines de nanomètres de diamètre. Dans le même temps, il existe aujourd'hui des technologies qui permettent de les tisser en fils de longueur illimitée. Ils peuvent être constitués d'un ou plusieurs plans de graphène enroulés dans un tube, qui se terminent généralement par une tête hémisphérique.

Le diamètre des nanotubes est de plusieurs nanomètres, soit plusieurs milliardièmes de mètre. Les parois des nanotubes de carbone sont constituées d'hexagones avec des atomes de carbone à leurs sommets. Les tubes peuvent avoir un type de structure différent, c'est lui qui influe sur leurs propriétés mécaniques, électroniques et chimiques. Les tubes monocouches présentent moins de défauts ; parallèlement, après recuit à haute température sous atmosphère inerte, on peut également obtenir des tubes sans défaut. Les nanotubes à parois multiples diffèrent des nanotubes à paroi unique standard dans une plus grande variété de configurations et de formes.

Les nanotubes de carbone peuvent être synthétisés de plusieurs façons, mais les plus courantes sont :

décharge d'arc. Le procédé assure la production de nanotubes sur des installations technologiques de production de fullerènes dans le plasma d'une décharge en arc, qui brûle dans une atmosphère d'hélium. Mais d'autres modes d'arc sont utilisés ici : une pression d'hélium plus élevée et de faibles densités de courant, ainsi que des cathodes de plus grand diamètre. Le dépôt cathodique contient des nanotubes jusqu'à 40 μm de longueur ; ils poussent perpendiculairement à la cathode et se combinent en faisceaux cylindriques.
Méthode d'ablation au laser . La méthode est basée sur l'évaporation d'une cible en graphite dans un réacteur spécial à haute température. Des nanotubes se forment sur la surface refroidie du réacteur sous forme de condensat d'évaporation de graphite. Cette méthode permet majoritairement d'obtenir des nanotubes monoparoi avec le diamètre requis contrôlé au moyen de la température. Mais cette méthode est beaucoup plus chère que les autres.
Dépôt chimique en phase vapeur . Ce procédé implique la préparation d'un substrat avec une couche de catalyseur, qui peut être des particules de fer, de cobalt, de nickel ou des combinaisons de ceux-ci. Le diamètre des nanotubes ainsi développés dépendra de la taille des particules utilisées. Le substrat chauffe jusqu'à 700 degrés. Pour initier la croissance des nanotubes, un gaz carboné et un gaz de procédé (hydrogène, azote ou ammoniac) sont introduits dans le réacteur. Les nanotubes se développent sur des sites de catalyseurs métalliques.

Applications et fonctionnalités

Applications en photonique et optique . En choisissant le diamètre des nanotubes, on peut assurer une absorption optique dans une large gamme spectrale. Les nanotubes de carbone à paroi unique présentent une forte non-linéarité d'absorption saturable, c'est-à-dire qu'ils deviennent transparents à une lumière suffisamment intense. Par conséquent, ils peuvent être utilisés pour diverses applications dans le domaine de la photonique, par exemple dans les routeurs et les commutateurs, pour créer des impulsions laser ultracourtes et régénérer des signaux optiques.
Application en électronique . À l'heure actuelle, de nombreuses façons d'utiliser les nanotubes en électronique ont été annoncées, mais seule une petite partie d'entre elles peut être mise en œuvre. Le plus intéressant est l'utilisation de nanotubes dans des conducteurs transparents comme matériau d'interface résistant à la chaleur.

La pertinence des tentatives d'introduction des nanotubes dans l'électronique est causée par la nécessité de remplacer l'indium dans les dissipateurs thermiques, qui sont utilisés dans les transistors de forte puissance, les processeurs graphiques et les processeurs centraux, car les stocks de ce matériau diminuent et son prix augmente. .

Création de capteurs . Les nanotubes de carbone pour capteurs sont une des solutions les plus intéressantes. Les films ultrafins constitués de nanotubes à simple paroi peuvent actuellement devenir la meilleure base pour les capteurs électroniques. Ils peuvent être produits selon différentes méthodes.
Création de biopuces, biocapteurs , le contrôle de l'administration ciblée et de l'action des médicaments dans l'industrie biotechnologique. Les travaux dans ce sens sont actuellement menés avec force et force. L'analyse à haut débit effectuée à l'aide de la nanotechnologie réduira considérablement le temps nécessaire pour mettre la technologie sur le marché.
Aujourd'hui grandit rapidement production de nanocomposites , majoritairement polymérique. Lorsque même une petite quantité de nanotubes de carbone y est introduite, un changement significatif des propriétés des polymères est fourni. Ainsi, ils augmentent la résistance thermique et chimique, la conductivité thermique, la conductivité électrique, améliorent les caractéristiques mécaniques. Des dizaines de matériaux ont été améliorés en y ajoutant des nanotubes de carbone ;

Fibres composites à base de polymères avec nanotubes ;
composites céramiques avec additifs. La résistance à la fissuration de la céramique augmente, la protection contre les rayonnements électromagnétiques apparaît, la conductivité électrique et thermique augmente ;
béton avec nanotubes - la qualité, la résistance, la résistance aux fissures augmentent, le retrait diminue;
composites métalliques. Notamment les composites de cuivre, dont les propriétés mécaniques sont plusieurs fois supérieures à celles du cuivre ordinaire ;
composites hybrides qui contiennent trois composants à la fois : des fibres inorganiques ou polymères (tissus), un liant et des nanotubes.

Avantages et inconvénients

Parmi les avantages des nanotubes de carbone, citons :

De nombreuses propriétés uniques et vraiment utiles qui peuvent être appliquées dans le domaine des solutions d'efficacité énergétique, de la photonique, de l'électronique et d'autres applications.
C'est un nanomatériau qui a un facteur de résistance élevé, une excellente conductivité thermique et électrique et une résistance au feu.
Améliorer les propriétés d'autres matériaux en y introduisant une petite quantité de nanotubes de carbone.
Les nanotubes de carbone à extrémité ouverte présentent un effet capillaire, ce qui signifie qu'ils peuvent aspirer des métaux en fusion et d'autres liquides ;
Les nanotubes combinent les propriétés d'un solide et de molécules, ce qui ouvre des perspectives importantes.

Parmi les inconvénients des nanotubes de carbone figurent :

Les nanotubes de carbone ne sont actuellement pas produits à l'échelle industrielle, leur utilisation commerciale est donc limitée.
Le coût de production des nanotubes de carbone est élevé, ce qui limite également leur application. Cependant, les scientifiques travaillent dur pour réduire le coût de leur production.
La nécessité d'améliorer les technologies de production pour créer des nanotubes de carbone aux propriétés précisément spécifiées.

perspectives

Dans un futur proche, les nanotubes de carbone seront utilisés partout, ils serviront à créer :

Nanobalances, matériaux composites, filetages à usage intensif.
Piles à combustible, surfaces conductrices transparentes, nanofils, transistors.
Les derniers développements en neuro-informatique.
Affichages, LED.
Dispositifs de stockage de métaux et de gaz, capsules pour molécules actives, nanopipettes.
Nanorobots médicaux pour l'administration et les opérations de médicaments.
Capteurs miniatures à ultra-haute sensibilité. De tels nanocapteurs peuvent trouver des applications dans des applications biotechnologiques, médicales et militaires.
Câble pour ascenseur spatial.
Haut-parleurs plats transparents.
muscles artificiels. À l'avenir, des cyborgs, des robots apparaîtront, les handicapés retrouveront une vie bien remplie.
Moteurs et groupes électrogènes.
Des vêtements intelligents, légers et confortables qui protégeront contre toute adversité.
Supercondensateurs sûrs à charge rapide.

Tout cela est dans l'avenir, car les technologies industrielles de création et d'utilisation des nanotubes de carbone sont au stade initial de développement et leur prix est extrêmement élevé. Mais les scientifiques russes ont déjà annoncé qu'ils avaient trouvé un moyen de réduire de deux cents fois le coût de création de ce matériau. Cette technologie unique de production de nanotubes de carbone est actuellement tenue secrète, mais elle devrait révolutionner l'industrie et bien d'autres domaines.

Faculté de physique

Département de physique des semi-conducteurs et de l'optoélectronique

SM Plankina

"Nanotubes de carbone"

Description des travaux de laboratoire pour le cours

"Matériaux et méthodes des nanotechnologies"

Nijni Novgorod 2006

Le but de ce travail : se familiariser avec les propriétés, la structure et la technologie d'obtention des nanotubes de carbone et étudier leur structure par la méthode de la microscopie électronique à transmission.

1. Introduction

Jusqu'en 1985, le carbone était connu pour exister dans la nature sous deux états allotropiques : une forme 3D (structure diamant) et une forme 2D en couches (structure graphite). Dans le graphite, chaque couche est formée d'une grille d'hexagones avec la distance entre les plus proches voisins d c - c = 0,142 nm. Les couches sont disposées dans la séquence ABAB ... (Fig. 1), où les atomes I se trouvent directement au-dessus des atomes dans les plans adjacents, et les atomes II se trouvent au-dessus des centres des hexagones dans les régions adjacentes. La structure cristallographique résultante est représentée sur la figure 1a, où a 1 et a 2 sont des vecteurs unitaires dans le plan du graphite, c est un vecteur unitaire perpendiculaire au plan hexagonal. La distance entre les plans du réseau est de 0,337 nm.

Riz. 1. (a) Structure cristallographique du graphite. Le réseau est défini par les vecteurs unitaires a 1 , a 2 et c. (b) Zone de Brillouin correspondante.

Étant donné que la distance entre les couches est supérieure à la distance en hexagones, le graphite peut être assimilé à un matériau 2D. Le calcul de la structure des bandes montre la dégénérescence des bandes au point K dans la zone de Brillouin (voir Fig. 1b). Ceci est particulièrement intéressant, du fait que le niveau de Fermi franchit ce point de dégénérescence, qui caractérise ce matériau comme un semi-conducteur avec une bande interdite nulle à T→0. Si les calculs prennent en compte les interactions interplanaires, alors dans la structure de bande, il y a une transition d'un semi-conducteur à un semi-métal en raison du chevauchement des bandes d'énergie.

En 1985, les fullerènes ont été découverts par Harold Kroto et Richard Smalley - la forme 0D, composée de 60 atomes de carbone. Cette découverte a reçu le prix Nobel de chimie en 1996. En 1991, Iijima a découvert une nouvelle forme 1D de carbone - des formations de carbone tubulaires allongées appelées "nanotubes". Le développement par Kretschmer et Huffman de la technologie pour leur production en quantités macroscopiques a marqué le début des études systématiques des structures de surface du carbone. L'élément principal de ces structures est une couche de graphite - une surface tapissée de cinq-six et d'heptagones réguliers (pentagones, hexagones et heptagones) avec des atomes de carbone situés aux sommets. Dans le cas des fullerènes, une telle surface a une forme fermée sphérique ou sphéroïdale (Fig. 2), chaque atome est associé à 3 voisins et la liaison est sp 2 . La molécule de fullerène C60 la plus courante est constituée de 20 hexagones et de 12 pentagones. Sa taille transversale est de 0,714 nm. Dans certaines conditions, les molécules de C 60 peuvent s'ordonner et former un cristal moléculaire. Dans certaines conditions, à température ambiante, les molécules de C 60 peuvent s'ordonner et former des cristaux moléculaires rougeâtres à réseau cubique faces centrées dont le paramètre est de 1,41 nm.

Fig.2. Molécule C 60 .

2. Structure des nanotubes de carbone

2.1 Angle de chiralité et diamètre des nanotubes

Les nanotubes de carbone sont des structures étendues constituées de couches de graphite enroulées dans un tube monocouche (SWNT) ou multicouche (MWNT). Le plus petit diamètre de nanotube connu est de 0,714 nm, soit le diamètre d'une molécule de fullerène C 60 . La distance entre les couches est presque toujours de 0,34 nm, ce qui correspond à la distance entre les couches en graphite. La longueur de ces formations atteint des dizaines de microns et dépasse leur diamètre de plusieurs ordres de grandeur (Fig. 3). Les nanotubes peuvent être ouverts ou se terminer par des hémisphères ressemblant à la moitié d'une molécule de fullerène.

Les propriétés d'un nanotube sont déterminées par l'angle d'orientation du plan de graphite par rapport à l'axe du tube. La figure 3 montre deux structures hautement symétriques possibles de nanotubes - zigzag et fauteuil. Mais en pratique, la plupart des nanotubes n'ont pas des formes aussi fortement symétriques ; en eux, les hexagones sont tordus en spirale autour de l'axe du tuyau. Ces structures sont dites chirales.

Fig.3. Modèles idéalisés de nanotubes à paroi unique avec des orientations en zigzag (a) et en fauteuil (b).

Riz. 4. Les nanotubes de carbone sont formés en tordant des plans de graphite en un cylindre, reliant le point A à A. L'angle de chiralité est défini par q - (a). Tube de type fauteuil, avec h = (4.4) - (b). Pas P dépend de l'angle q - (c).

Il existe un nombre limité de schémas qui peuvent être utilisés pour construire un nanotube à partir d'une couche de graphite. Considérons les points A et A "sur la Fig. 4a. Le vecteur reliant A et A" est défini comme ch \u003d na 1 + ma 2, où n, m sont des nombres réels, a 1 et 2 sont des vecteurs unitaires dans le plan du graphite . Le tube est formé lorsque la couche de graphite est enroulée et que les points A et A sont connectés, il est alors uniquement déterminé par le vecteur c h La figure 5 montre le schéma d'indexation pour le vecteur de réseau c h .

Les indices de chiralité d'un tube monocouche déterminent de manière unique son diamètre :

où est la constante de réseau. La relation entre les indices et l'angle de chiralité est donnée par :

Fig.5. Schéma d'indexation des vecteurs de réseau c h .

Les nanotubes en zigzag sont déterminés par l'angle Q =0° , qui correspond au vecteur (n, m)= (n, 0). En eux, les liaisons C-C sont parallèles à l'axe du tube (Fig. 3, a).

La structure du fauteuil est caractérisée par un angle Q = ± 30°, correspondant au vecteur (n, m) = (2n, -n) ou (n, n). Ce groupe de tubes aura des liaisons C-C perpendiculaires à l'axe du tube (Fig. 3b et 4b). Les combinaisons restantes forment des tubes de type chiraux, avec des angles de 0°<<Q <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла Q .

2.2 Structure des nanotubes multicouches

Les nanotubes multicouches diffèrent des nanotubes monocouches par une plus grande variété de formes et de configurations. La diversité des structures se manifeste à la fois dans les directions longitudinale et transversale. Les variantes possibles de la structure transversale des nanotubes multicouches sont représentées sur les Fig. 6. Une structure de type « matriochka russe » (Fig. 6a) est un ensemble de nanotubes cylindriques monocouches imbriqués coaxialement. Une autre variante de cette structure, illustrée à la Fig. 6b est un ensemble de prismes coaxiaux imbriqués. Enfin, la dernière des structures ci-dessus (Fig. 6c) ressemble à un rouleau. Toutes les structures ci-dessus sont caractérisées par la valeur de la distance entre couches de graphite adjacentes, qui est proche de la valeur de 0,34 nm, qui est inhérente à la distance entre plans adjacents de graphite cristallin. La réalisation d'une structure ou d'une autre dans une situation expérimentale spécifique dépend des conditions de synthèse des nanotubes.

Des études de nanotubes multicouches ont montré que les distances entre couches peuvent varier de la valeur standard de 0,34 nm au double de la valeur de 0,68 nm. Ceci indique la présence de défauts dans les nanotubes, lorsqu'une des couches est partiellement absente.

Une partie significative des nanotubes à parois multiples peut avoir une section transversale polygonale de telle sorte que des zones de surface planes sont adjacentes à des zones de surface à courbure élevée qui contiennent des bords avec un degré élevé de carbone hybride sp3. Ces arêtes limitent les surfaces composées de carbone hybride sp 2 et déterminent de nombreuses propriétés des nanotubes.

Figure 6. Modèles de structures transversales de nanotubes multicouches (a) - "Matriochka russe" ; (b) prisme hexagonal; (c) - défilement.

Un autre type de défauts, souvent constaté sur la surface en graphite des nanotubes multicouches, est lié à l'incorporation dans la surface, constituée majoritairement d'hexagones, d'un certain nombre de pentagones ou d'heptagones. La présence de tels défauts dans la structure des nanotubes conduit à une violation de leur forme cylindrique, et l'insertion d'un pentagone provoque une courbure convexe, tandis que l'insertion d'un heptagone contribue à l'apparition d'une courbure prononcée en forme de coude. Ainsi, de tels défauts provoquent l'apparition de nanotubes recourbés et hélicoïdaux, et la présence d'hélices à pas constant indique une disposition plus ou moins régulière des défauts à la surface du nanotube. Il a été découvert que des tuyaux de chaise peuvent être raccordés à des tuyaux en zigzag au moyen d'un raccord coudé, comprenant un pentagone à l'extérieur du coude et un heptagone à l'intérieur. A titre d'exemple, sur la fig. 7 montre la connexion du tuyau de chaise (5.5) et du tuyau en zigzag (9.0).

Riz. 7. Illustration de la « connexion coudée » entre le tube du fauteuil (5.5) et le tube en zigzag (9.0). (a) Dessin en perspective avec anneaux ombrés pentagonaux et hexagonaux, (b) structure projetée sur le plan de symétrie du coude.

3. Méthodes d'obtention de nanotubes de carbone

3.1 Obtention du graphite dans une décharge en arc

Le procédé est basé sur la formation de nanotubes de carbone lors de la pulvérisation thermique d'une électrode de graphite dans un plasma à décharge en arc brûlant dans une atmosphère d'hélium. Cette méthode permet d'obtenir des nanotubes en quantité suffisante pour une étude détaillée de leurs propriétés physico-chimiques.

Le tube peut être obtenu à partir de fragments étendus de graphite, qui sont ensuite torsadés en un cylindre. La formation de fragments étendus nécessite des conditions particulières pour chauffer le graphite. Les conditions optimales d'obtention des nanotubes sont réalisées dans une décharge en arc utilisant du graphite électrolytique comme électrodes. Sur la fig. La figure 8 montre un schéma simplifié de l'installation pour la production de fullerènes et de nanotubes.

La pulvérisation de graphite est réalisée en faisant passer un courant d'une fréquence de 60 Hz à travers les électrodes, la valeur du courant est de 100 à 200 A, la tension est de 10-20 V. En ajustant la tension du ressort, il est possible de s'assurer que le la majeure partie de la puissance d'entrée est libérée dans l'arc et non dans la tige de graphite. La chambre est remplie d'hélium à une pression de 100 à 500 torr. Le taux d'évaporation du graphite dans cette installation peut atteindre 10 g/W. Dans ce cas, la surface de l'enveloppe en cuivre, refroidie par l'eau, est recouverte du produit d'évaporation du graphite, c'est-à-dire suie de graphite. Si la poudre résultante est grattée et maintenue pendant plusieurs heures dans du toluène bouillant, on obtient un liquide brun foncé. Lorsqu'elle est évaporée dans un évaporateur rotatif, une poudre fine est obtenue, son poids ne dépasse pas 10% du poids de la suie de graphite d'origine, elle contient jusqu'à 10% de fullerènes et de nanotubes.

Dans le procédé d'obtention de nanotubes décrit, l'hélium joue le rôle de gaz tampon. Les atomes d'hélium emportent l'énergie libérée lorsque les fragments de carbone se combinent. L'expérience montre que la pression d'hélium optimale pour obtenir des fullerènes est de l'ordre de 100 Torr, pour obtenir des nanotubes - de l'ordre de 500 Torr.

Riz. 8. Schéma de l'installation de production de fullerènes et de nanotubes. 1 - électrodes en graphite; 2 - bus en cuivre refroidi ; 3 - boîtier en cuivre, 4 - ressorts.

Parmi les différents produits de la pulvérisation thermique du graphite (fullerènes, nanoparticules, particules de suie), une petite partie (plusieurs pour cent) est constituée de nanotubes multicouches, qui sont partiellement fixés sur les surfaces froides de l'installation, partiellement déposés sur la surface ensemble avec de la suie.

Des nanotubes à paroi unique sont formés lorsqu'un petit mélange de Fe, Co, Ni, Cd est ajouté à l'anode (c'est-à-dire en ajoutant des catalyseurs). De plus, les SWNT sont obtenus par oxydation de nanotubes multiparois. Aux fins d'oxydation, les nanotubes multiparois sont traités avec de l'oxygène à chauffage modéré, ou avec de l'acide nitrique bouillant, dans ce dernier cas, des anneaux de graphite à cinq chaînons sont éliminés, conduisant à l'ouverture des extrémités des tubes. L'oxydation permet de retirer les couches supérieures du tube multicouche et d'exposer ses extrémités. La réactivité des nanoparticules étant supérieure à celle des nanotubes, la fraction de nanotubes dans la partie restante de celle-ci augmente avec une destruction importante du produit carboné par oxydation.

3.2 Méthode d'évaporation laser

Une alternative à la croissance des nanotubes dans une décharge en arc est la méthode d'évaporation laser. Dans cette méthode, les SWNT sont principalement synthétisés en évaporant un mélange de carbone et de métaux de transition avec un faisceau laser à partir d'une cible constituée d'un alliage d'un métal avec du graphite. Par rapport à la méthode de décharge à l'arc, l'évaporation directe permet un contrôle plus détaillé des conditions de croissance, des opérations longues et la production de nanotubes avec des rendements plus élevés et une meilleure qualité. Les principes fondamentaux qui sous-tendent la production de SWNT par évaporation laser sont les mêmes que dans la méthode de décharge à l'arc : les atomes de carbone commencent à s'accumuler et à former un composé à l'emplacement des particules de catalyseur métallique. Dans la configuration (Fig. 9), le faisceau laser à balayage était focalisé en un point de 6 à 7 mm sur une cible contenant du graphite métallique. La cible a été placée dans un tube rempli (à pression élevée) d'argon et chauffé à 1200°C. Les suies formées lors de l'évaporation laser sont emportées par le flux d'argon de la zone haute température et déposées sur un collecteur en cuivre refroidi à l'eau situé en sortie du tube.

Riz. 9. Schéma de la configuration d'ablation laser.

3.3 Dépôt chimique en phase vapeur

La méthode de dépôt plasma-chimique en phase vapeur (CVD) est basée sur le fait qu'une source gazeuse de carbone (le plus souvent du méthane, de l'acétylène ou du monoxyde de carbone) est exposée à une source de haute énergie (plasma ou bobine chauffée par résistance) afin de diviser la molécule en un carbone atomique actif réactif. Ensuite, il est pulvérisé sur un substrat chauffé recouvert d'un catalyseur (il s'agit généralement de métaux de transition de la première période Fe, Co, Ni, etc.), sur lequel du carbone est déposé. Les nanotubes ne se forment que sous des paramètres strictement observés. La reproduction précise de la direction de croissance des nanotubes et leur positionnement à l'échelle du nanomètre ne peuvent être atteints que lorsqu'ils sont obtenus par la méthode PDT catalytique. Un contrôle précis du diamètre des nanotubes et de leur vitesse de croissance est possible. Selon le diamètre des particules de catalyseur, seuls les SWCNT ou les MWNT peuvent croître. En pratique, cette propriété est largement utilisée dans la technologie de création de sondes pour la microscopie à sonde à balayage. En fixant la position du catalyseur à l'extrémité de l'aiguille de silicium du porte-à-faux, il est possible de faire croître un nanotube, ce qui améliorera significativement la reproductibilité des caractéristiques et la résolution du microscope, aussi bien lors du balayage que lors des opérations lithographiques.

Typiquement, la synthèse de nanotubes par la méthode PDT se déroule en deux étapes : la préparation d'un catalyseur et la croissance proprement dite des nanotubes. Le catalyseur est déposé en pulvérisant le métal de transition sur la surface du substrat, puis, à l'aide d'une gravure chimique ou d'un recuit, la formation de particules de catalyseur est initiée, sur lesquelles poussent ensuite des nanotubes (Fig. 10). La température lors de la synthèse des nanotubes varie de 600 à 900 °C.

Parmi les nombreuses méthodes PDT, on notera la méthode de pyrolyse catalytique des hydrocarbures (Fig. 10), dans laquelle il est possible de mettre en œuvre un contrôle souple et séparé des conditions de formation des nanotubes.

Le fer est généralement utilisé comme catalyseur, qui est formé en milieu réducteur à partir de divers composés du fer (chlorure de fer (III), salicylate de fer (III) ou pentacarbonyle de fer). Un mélange de sels de fer avec un hydrocarbure (benzène) est pulvérisé dans la chambre de réaction soit avec un flux dirigé d'argon, soit à l'aide d'un pulvérisateur à ultrasons. L'aérosol résultant avec un flux d'argon pénètre dans le réacteur à quartz. Dans la zone du four de préchauffage, le flux d'aérosol est chauffé à une température d'environ 250 °C, l'hydrocarbure s'évapore et le processus de décomposition du sel contenant du métal commence. De plus, l'aérosol pénètre dans la zone du four à pyrolyse, dont la température est de 900 °C. À cette température, la formation de particules de catalyseur micro- et nanométriques, la pyrolyse des hydrocarbures et la formation de diverses structures de carbone, y compris des nanotubes, se produisent sur les particules métalliques et les parois du réacteur. Ensuite, le flux de gaz, se déplaçant à travers le tube de réaction, pénètre dans la zone de refroidissement. Les produits de pyrolyse sont déposés en fin de zone de pyrolyse sur un barreau de cuivre refroidi à l'eau.

Riz. 10. Schéma de l'installation de pyrolyse catalytique des hydrocarbures.

4. Propriétés des nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone combinent les propriétés des molécules et des solides et sont considérés par certains chercheurs comme un état intermédiaire de la matière. Les résultats des premières études sur les nanotubes de carbone indiquent leurs propriétés inhabituelles. Certaines propriétés des nanotubes à paroi unique sont données dans le tableau. un.

Les propriétés électriques des SWNT sont largement déterminées par leur chiralité. De nombreux calculs théoriques donnent une règle générale pour déterminer le type de conductivité SWCNT :

les tubes avec (n, n) sont toujours métalliques ;

les tubes avec n – m= 3j, où j n'est pas un entier nul, sont des semi-conducteurs à faible bande interdite ; et tout le reste sont des semi-conducteurs avec une grande bande interdite.

En fait, la théorie des bandes pour les tubes n – m = 3j donne une conductivité de type métallique, mais lorsque le plan est courbe, un petit espace s'ouvre dans le cas de j non nul. Les nanotubes de type fauteuil (n, n) dans la représentation à un électron restent métalliques quelle que soit la courbure de surface, qui est due à leur symétrie. Lorsque le rayon du tube R augmente, la bande interdite pour les semi-conducteurs de grande et de petite largeur diminue selon la loi 1/R et 1/R 2, respectivement. Ainsi, pour la majorité des nanotubes observés expérimentalement, l'écart de faible largeur, qui est déterminé par l'effet de courbure, sera si petit que dans les applications pratiques tous les tubes avec n - m = 3j à température ambiante sont considérés comme métalliques.

Tableau 1

Propriétés	Nanotubes à simple paroi	Comparaison avec des données connues
taille caractéristique	Diamètre 0,6 à 1,8 nm	Limite de la lithographie électronique 7 nm
Densité	1,33-1,4 g/cm3	densité d'aluminium
Résistance à la traction		L'alliage d'acier le plus résistant casse à 2 GPa
Élasticité	Flexible à n'importe quel angle	Les métaux carbonés et les fibres se cassent aux joints de grains
la densité actuelle	Les estimations donnent jusqu'à 1 G A / cm 2	Les fils de cuivre brûlent lorsque
Émission automatique	Activé à 1-3 V à une distance de 1 µm	Les aiguilles en molybdène nécessitent 50 à 100 volts et ont une courte durée de vie
Conductivité thermique	Prévoir jusqu'à 6000 W/mK	Le diamant pur a 3320 W/mK
stabilité de la température	Jusqu'à 2800°C sous vide et 750°C sous air	La métallisation dans les schémas fond à 600 - 1000°С
		Or 10$/g

La haute résistance mécanique des nanotubes de carbone en combinaison avec leur conductivité électrique permet de les utiliser comme sonde dans les microscopes à sonde à balayage, ce qui augmente la résolution des dispositifs de ce type de plusieurs ordres de grandeur et les met à égalité avec une telle appareil unique en tant que microscope ionique de champ.

Les nanotubes ont des caractéristiques d'émission élevées ; la densité de courant d'émission de champ sous une tension d'environ 500 V à température ambiante atteint une valeur de l'ordre de 0,1 A. cm -2 . Cela ouvre la possibilité de créer une nouvelle génération d'affichages basés sur eux.

Les nanotubes à extrémité ouverte présentent un effet capillaire et sont capables d'aspirer des métaux en fusion et d'autres substances liquides. La mise en œuvre de cette propriété des nanotubes ouvre la perspective de créer des fils conducteurs d'un diamètre de l'ordre du nanomètre.

L'utilisation des nanotubes en technologie chimique semble très prometteuse, ce qui est lié, d'une part, à leur surface spécifique et stabilité chimique élevées, et, d'autre part, à la possibilité de fixer divers radicaux à la surface des nanotubes, qui peuvent ensuite servir de centres catalytiques ou de noyaux pour diverses transformations chimiques. La formation de structures hélicoïdales orientées aléatoirement torsadées à plusieurs reprises par les nanotubes conduit à l'apparition d'un nombre important de cavités de taille nanométrique à l'intérieur du matériau du nanotube, accessibles pour la pénétration de liquides ou de gaz depuis l'extérieur. De ce fait, la surface spécifique d'un matériau composé de nanotubes est proche de la valeur correspondante pour un nanotube individuel. Cette valeur dans le cas d'un nanotube monocouche est d'environ 600 m 2 g -1 . Une valeur aussi élevée de la surface spécifique des nanotubes ouvre la possibilité de leur utilisation comme matériau poreux dans les filtres, les dispositifs de technologie chimique, etc.

Actuellement, diverses options d'utilisation des nanotubes de carbone dans les capteurs de gaz ont été proposées, qui sont activement utilisées dans l'écologie, l'énergie, la médecine et l'agriculture. Des capteurs de gaz basés sur l'évolution du pouvoir ou de la résistance thermoélectrique lors de l'adsorption de molécules de différents gaz à la surface de nanotubes ont été créés.

5. Application des nanotubes en électronique

Bien que les applications technologiques des nanotubes basées sur leur surface spécifique élevée présentent un intérêt appliqué significatif, les plus intéressantes sont les directions d'utilisation des nanotubes associées aux développements dans divers domaines de l'électronique moderne. Des propriétés d'un nanotube telles que sa petite taille, qui varie considérablement selon les conditions de synthèse, la conductivité électrique, la résistance mécanique et la stabilité chimique, permettent d'envisager un nanotube comme base des futurs éléments microélectroniques.

L'introduction d'un nanotube monocouche comme défaut dans la structure idéale d'une paire pentagone-heptagone (comme sur la figure 7) modifie sa chiralité et, par conséquent, ses propriétés électroniques. Si l'on considère la structure (8.0)/(7.1), alors il ressort des calculs que le tube de chiralité (8.0) est un semi-conducteur avec une bande interdite de 1,2 eV, tandis qu'un tube de chiralité (7 ,1) est un semi-métal. Ainsi, ce nanotube courbé devrait représenter une transition moléculaire métal-semi-conducteur et peut être utilisé pour créer une diode de redressement, l'un des principaux éléments des circuits électroniques.

De même, à la suite de l'introduction d'un défaut, des hétérojonctions semi-conducteur-semi-conducteur avec différentes valeurs de la bande interdite peuvent être obtenues. Ainsi, des nanotubes à défauts incrustés peuvent constituer la base d'un élément semi-conducteur de petites dimensions record. Le problème de l'introduction d'un défaut dans la structure idéale d'un nanotube à simple paroi présente certaines difficultés techniques, mais on peut s'attendre à ce que, du fait du développement de la technologie récemment créée pour obtenir des nanotubes à simple paroi avec une certaine chiralité, ce problème sera résolu avec succès.

Sur la base de nanotubes de carbone, il a été possible de créer un transistor dont les propriétés dépassent les circuits similaires en silicium, qui est actuellement le principal composant de la fabrication de microcircuits semi-conducteurs. Des électrodes de platine de source et de drain ont été formées sur la surface d'un substrat de silicium de type p ou n préalablement recouvert d'une couche de SiO2 de 120 nm, et des nanotubes monocouches ont été déposés à partir de la solution (Fig. 11).

Fig.11. Transistor à effet de champ sur un nanotube semi-conducteur. Le nanotube repose sur un substrat non conducteur (quartz) en contact avec deux fils ultra-fins, une couche de silicium (a) sert de troisième électrode (grille) ; dépendance de la conductivité dans le circuit au potentiel de grille (b) 3 .

Exercer

1. Familiarisez-vous avec les propriétés, la structure et la technologie d'obtention des nanotubes de carbone.

2. Préparer le matériau contenant des nanotubes de carbone pour examen par microscopie électronique à transmission.

3. Obtenir une image focalisée des nanotubes à différents grossissements. À la résolution la plus élevée possible, estimez la taille (longueur et diamètre) des nanotubes proposés. Faire une conclusion sur la nature des nanotubes (monocouche ou multicouche) et les défauts observés.

Questions de contrôle

1. Structure électronique des matériaux carbonés. Structure de nanotubes monocouches. Structure des nanotubes multicouches.

2. Propriétés des nanotubes de carbone.

3. Principaux paramètres déterminant les propriétés électriques des nanotubes. Règle générale pour déterminer le type de conductivité d'un nanotube monoparois.

5. Domaines d'application des nanotubes de carbone.

6. Méthodes d'obtention de nanotubes: méthode de décomposition thermique du graphite dans une décharge en arc, méthode d'évaporation laser du graphite, méthode de dépôt chimique en phase vapeur.

Littérature

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3. Bobrinetsky, I. I. Formation et étude des propriétés électrophysiques de structures planaires à base de nanotubes de carbone. Mémoire pour le degré de candidat des sciences techniques// II Bobrinetsky. – Moscou, 2004.-145 p.

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