Строение, свойства и область применения углеродных наноструктур

Министерство образования и  науки, молодежи и спора Украины

Харьковский Технический  Университет “Харьковский Политехнический  Институт”

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по предмету “Нанотехнологии”

на тему “Строение, свойства  и область применения углеродных наноструктур”

 

 

 

Выполнил

Студент группы ФТ-48

Мирошниченко Богдан

Проверил

д. ф.-м. н. Долбин А.В.

 

 

 

 

 

Харьков 2013

Содержание

1 Введение

2 Фуллорен

   2.1Фуллерит

3 Нанотрубки

   3.1 Многослойные нанотрубки

4 Наноалмаз

  4.1 Детонационные наноалмазы

5 Графит

  5.1 Графен

  5.2Лазерное испарение графита

6 Применения урглеродных наноструктур

7 Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Введение

Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения  исследований явлений на атомном  и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, когда до продукции еще достаточно далеко.

В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом “проб и ошибок”.

Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.

Углеродные наноматериалы, к числу которых принадлежат фуллерены, фуллериты, нанотрубки, нанографиты и наноалмазы активно исследуются как уникальные объекты нанотехнологии. Свойства данного вида молекул необычны и во многом уникальны.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Фуллорен

До недавнего времени  считалось, что углерод может  существовать лишь в двух формах - в виде графита и в виде алмаза. Но экспериментальные исследования последних лет поколебали эту уверенность. В 1985 г. Харольдом Крото и Ричардом Смоли была открыта ранее неизвестная форма углерода - фуллерены. Молекула фуллерена С₆₀ представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников и шестиугольников с атомами углерода в вершинах(Рис1).

Рис 1 Схематическое изображение фуллерена С60: а - в виде модели, в которой шары атомов углерода соединены стержнями; б - в виде электронного облака; в - с указанием двойных связей; г - диаграмма Шлегеля с пронумерованными атомами углерода.

Молекула С₆₀ имеет структуру усеченного икосаэдра. Фигура формируется двадцатью шестиугольниками и двенадцатью пятиугольниками. Это высокосимметричная фигура, обладающая шестью осями пятого порядка, проходящими через двенадцать противоположно лежащих пятиугольников; десятью осями третьего порядка, проходящими через двадцать противоположно лежащих шестиугольников; тридцатью осями второго порядка, проходящими через противоположно лежащие шестьдесят ребер шестиугольник-шестиугольник; тридцатью осями второго порядка, проходящими через все противоположные шестьдесят вершин фигуры.

Создание к 1990 году эффективной  технологии синтеза, выделения и очистки фуллеренов привело к открытию многих необычных свойств данных молекул. Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают на большое разнообразие физических явлений, происходящих при участии фуллеренов, открывая значительные перспективы использования этих материалов не только в электронике, оптоэлектронике, но и при создании конструкционных материалов.

2.1 Фуллери́т — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.

При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную  кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний диаметр молекулы фуллерена С₆₀ составляет 0,708 нм, расстояние между соседними молекулами С₆₀ равно 1,002 нм. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см³), и, тем более, алмаза (3,5 г/см³). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые.

Поскольку силы взаимодействия между молекулами С₆₀ в кристалле малы, а симметрия очень высока, то при температуре выше 260 К молекулы фуллерена вращаются, и к ним вполне применима модель шарового слоя. Частота вращения, разумеется, зависит от температуры, и при Т = 300 К равна приблизительно 10¹² с⁻¹. При понижении температуры (Т < 260 K) вращение молекул фуллерена прекращается. При Т = 260 К происходит изменение кристаллической структуры фуллерита (фазовый переход 1-го рода) с одновременным замораживанием вращательного движения молекул вследствие увеличения энергии межмолекулярного взаимодействия. Так называемая низкотемпературная фаза фуллерита имеет простую кубическую (ПК) решётку.

Элементарная ячейка кристаллической решётки фуллерита  содержит 8 тетраэдрических и 4 октаэдрических пустот, каждая из которых окружена соответственно 4 и 6 молекулами С₆₀. Размеры октаэдрических пустот составляют 0,42 нм, тетраэдрических — 0,22 нм.

В низкотемпературной фазе фуллерита на каждую молекулу С₆₀ приходится две тетраэдрические и одна октаэдрическая межузельные пустоты со средними линейными размерами, приблизительно, 2,2 Ǻ и 4,2 Ǻ, соответственно.

Фуллериты достаточно устойчивы  химически и термически, хотя и  представляют собой фазу, термодинамически невыгодную относительно графита. Они сохраняют стабильность в инертной атмосфере вплоть до температур порядка 1200 К, при которых происходит образование графита. Образования жидкой фазы вплоть до этих температур не наблюдается. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается заметное окисление с образованием CO и CO₂. Химической деструкции фуллерита также способствует наличие следов растворителей. Фуллериты достаточно легко растворяются в неполярных ароматических растворителях и в сероуглероде CS₂.

Благодаря тому, что молекулы фуллеренов в фуллерите сближены, из них могут быть получены различные олигомеры и полимерные фазы под действием света, облучения электронами или давления. При давлении до 10 ГПа получены и охарактеризованы орторомбическая фаза, состоящая из линейных цепочек связанных между собой молекул С₆₀, а также тетрагональная и ромбоэдрическая фазы, состоящие из слоев с тетрагональной и гексагональной сетями межмолекулярных связей, соответственно.

Существуют данные об образовании из фуллерита ферромагнитных полимеризованных фаз (так называемый магнитный углерод) под действием давления и температуры, хотя природа этого явления и сами данные не вполне однозначны. Существование таких фаз может быть связано с образованием дефектов, присутствием примесных атомов и частиц, а также с частичным разрушением молекул фуллерена. При давлениях свыше 10 ГПа и температурах свыше 1800 К происходит образование алмазных фаз, причем при определенных условиях могут быть получены нанокристаллические алмазы. Отмечают, что образование алмазов из фуллерита происходит при более низких температурах по сравнению с графитом.

Особенностью фуллеритов является присутствие сравнительно больших межмолекулярных пустот, в которые могут быть внедрены атомы и небольшие молекулы. В  результате заполнения этих пустот атомами щелочных металлов получают фуллериды, проявляющие сверхпроводящие свойства при температурах до 20–40 К.

Полимеризованный фуллерит является самым твердым веществом, известным науке (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Теоретически, из него можно изготавливать инструменты для обработки легированных сталей и алмазов, что, однако, далеко от практической реализации.

3 Нанотрубки

В 1991 году Иижима обнаружил  другую новую 1D форму углерода: продолговатые трубчатые образования, названные «нанотрубками» (рис. 2).

Рис 2

Следует отметить, что  примерно в это же время российские ученые объявили об открытии нанотрубок и их связок, имеющих, однако, намного  меньший коэффициент отношения  длины к диаметру и напоминавших скорее продолговатые фуллерены.

Наиболее просто углеродную нанотрубку (УНТ) можно описать с помощью вектора, соединяющего два атома на графитовом листе. Цилиндр получается при сворачивании данного листа таким образом, чтобы совмещались начало и конец такого вектора. Данный вектор можно выразить через базисные векторы элементарной ячейки графенового листа C = na₁ + ma₂, при этом принято, что n m. Каждая пара чисел (n, m) представляет возможную структуру нанотрубки.

Нанотрубки также характеризуются  диаметром и углом хиральности. Хиральным углом нанотрубки называется угол между осью трубки и рядами наиболее плотно упакованных атомов. Пара целых чисел (n, m) однозначно соответствует паре значений ( d). На практике обычно измеряют именно диаметр и угол хиральности нанотрубки и переводят потом в более наглядные и понятные векторные обозначения.

Одиночная трубка обычно называется однослойной нанотрубкой (ОСНТ). Известный наименьший диаметр  нанотрубки - 0,7 нм, что является диаметром  молекулы фуллерена C₆₀. Нанотрубки, состоящие из коаксиальных графитовых цилиндров, с расстоянием между слоями 0,34 нм называются многослойными нанотрубками (МСНТ).

3.1 Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Рис 3. Модели поперечных структур многослойных углеродных нанотрубок: а - «русская матрешка»; б - шестигранная призма; в - свиток

Структура типа «русская матрешка» (рис. 3а) представляет собой  совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок. Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 3б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Последняя из приведенных структур (рис. 3в) напоминает свиток. Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.

Исследования многослойных нанотрубок показали, что расстояния между слоями могут меняться от стандартной  величины 0,34 нм до удвоенного значения 0,68 нм. Это указывает на наличие дефектов в нанотрубках, когда один из слоев частично отсутствует.

Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности  многослойных нанотрубок, связан с  внедрением в поверхность, состоящую  преимущественно из гексагонов, некоторого количества пентагонов или гептагонов. Наличие таких дефектов в структуре нанотрубок приводит к нарушению их цилиндрической формы, причем внедрение пентагона вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение гептагона способствует появлению крутого локтеобразного изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок, причем наличие спиралей с постоянным шагом свидетельствует о более или менее регулярном расположении дефектов на поверхности нанотрубки. Трубки типа «armchair» могут соединяться с трубками типа «zigzag» при помощи локтевого соединения, включающего пентагон с внешней стороны локтя и гептагон с его внутренней стороны. В качестве примера на рис 4  приведено соединение нанотрубки типа «armchair» и нанотрубки типа «zigzag».

Рис. 4. Иллюстрация «локтевого соединения» между нанотрубкой типа «armchair» и нанотрубкой типа «zigzag»: а - иллюстрация «локтевого соединения» между  кресельной и зигзагной трубой. (а) б - структура, спроектированная на плоскость симметрии локтя.

Нанотрубки за счет сил  Ван-дер-Ваальса при производстве обычно соединяются в пучки. В  свою очередь произвольно расположенные  пучки образуют сетки.

Углеродные нанотрубки сочетают в себе свойства молекул  и твердого тела и рассматриваются некоторыми исследователями как промежуточное состояние вещества. Результаты уже первых исследований углеродных нанотрубок указывают на их необычные свойства. Некоторые свойства однослойных нанотрубок приведены в табл. 1.

Свойства	Однослойные нанотрубки	Сравнение с известными данными
Характерый размер	Диаметр от 0,6 до 1,8 нм	Предел электронной литографии 7 нм
Плотность	1.33-1.4 г/см3	Плотность алюминия  2.7 г/см3
Прочность на разрыв	45 ГПа	Самый прочный сплав стали разламывается  при 2 ГПа
Упругость	Упруго изгибается под любым  углом	Металлы и волокна из углерода ломаются по границам зерен
Плотность тока	Оценки дают до 1Г А/см2	Медные провода выгорают при  1 MA/cm2
Автоэмиссия	Активируются при 1-3 В при расстоянии 1 мкм	Молибденовые иглы требуют 50 - 100 В, и недолговечны
Теплопроводность	Предсказывают до 6000 Вт/мК	Чистый алмаз имеет 3320 Вт/мК
Стабильность по температуре	До 2800°С в вакууме и 750°С на воздухе	Металлизация в схемах плавится при 600 - 1000°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

Сравнительная характеристика однослойных  углеродных нанотрубок с другими материалами.

Весьма перспективным  представляется использование нанотрубок в химической технологии, что связано, с одной стороны, с их высокой  удельной поверхностью и химической стабильностью, а с другой стороны, с возможностью присоединения к поверхности нанотрубок разнообразных радикалов, которые могут служить в дальнейшем либо каталитическими центрами, либо зародышами для осуществления разнообразных химических превращений. Это свойство крайне важно, если рассматривать углеродные нанотрубки как элементы армирующей фазы полимерных композиционных материалов. Для обеспечения оптимальной прочности связи «матрица-наполнитель» проводят функциализацию УНТ, то есть изменение химической природы поверхности. Функциализация не только способствует увеличению прочности связи «трубка-матрица», но и вызывает разделение сростков УНТ на отдельные трубки, улучшает однородность распределения УНТ в матрице.

4 Наноалмаз — углеродная наноструктура. Имеет кристаллическую решётку типа алмаза (две ГЦК, сдвинутые друг относительно друга на 1/4 главной диагонали). Характерный размер одного нанокристалла 10—100 ангстрем. Наноалмазы, или ультрадисперсные алмазы, можно рассматривать как специфический наноуглеродный материал, входящий в обширное и все более популярное семейство наноуглеродных кластеров, состоящее из фуллеренов, нанотрубок, нанографита, «луковичной» формы углерода. Алмазные частицы обладают уникальными различными физико-химическими свойствами. Свойства наноалмазов существенным образом зависят от метода получения.

На сегодня существует несколько  способов получения алмазных наночастиц. Среди них наиболее распространены следующие:

— получение из природных алмазов  физическими методами;

— синтез при сверхвысоких давлениях и температурах;

— электронно- и ионно-лучевые методы, использующие облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и  ионами аргона;

— химическое осаждение углеродосодержащего  пара при высоких температурах и  давлениях;

— детонационный синтез;

— электрохимическое осаждение  на аноде.

4.1 Детонационные наноалмазы (ДНА)

В СССР под руководством Е. И. Забабахина учёные ВНИИТФ в 1962 г. К. В. Волков, В. В. Даниленко и В. И. Елина синтезировали  алмазы ударным сжатием графита  и сажи в сферических и цилиндрических ампулах сохранения, а в 1963 г для повышения выхода алмаза использовали сжатие смеси графита с металлом-охладителем. В 1962 г. Даниленко предложил замену ампульного синтеза на безампульный с проведением взрывов во взрывной камере. При этом графит помещался непосредственно в цилиндрический заряд из сплава тротил/гексоген ТГ40, а для подавления графитизации и снижения скорости разгрузки образующегося алмаза заряд окружался водяной оболочкой. Это обеспечило резкое увеличение выхода алмаза. В июле 1963 г был выполнен контрольный опыт с зарядом без графита, подтвердивший предположение о синтезе алмаза из углерода продуктов детонации (ПД). На основании фазовой диаграммы углерода и значений P,t точки Жуге при детонационном разложении взрывчатого вещества было показано, что свободный углерод должен конденсироваться в форме алмаза. При этом взрывчатое вещество должно обладать отрицательным кислородным балансом. Главным преимуществом конденсации атомарного углерода продуктов детонации по сравнению с синтезом из графита является то, что в данном процессе отсутствует необходимость расходования энергии и времени на разрушение или перестройку исходной кристаллической решётки графита. Проблема в этом случае заключается в сохранении ультрадисперсного алмаза (УДА) от окисления и графитизации. В 1963—1965 гг показано решающее значение охлаждения ПД за счёт превращения потенциальной энергии ПД в кинетическую энергию оболочки, окружающей заряд. Заряд ПГ 40, сформированный в форме удлиненного цилиндра, давал выход УДА 8-12 % от массы заряда при содержании УДА в шихте до 75 %. В США первое сообщение о синтезе УДА появилось только в 1988 г. Их содержание в саже, по сообщению авторов, составило 25 %. Таким образом, России принадлежит приоритет в синтезе детонационных наноалмазов. Однако, несмотря на серию удачных экспериментальных работ в самом начале 60-х гг, далее исследования были практически приостановлены, поскольку интенсивное развитие в то время получало исследование и производства алмазов каталитического синтеза, а внедрение новых методик синтеза УДА встретило препятствие со стороны неподготовленной промышленности. В 1982 г синтез наноалмазов был налажен сразу в нескольких научных центрах СССР, однако мощности производства существенно превосходили потребность в наноалмазах. В 1993 г ряд производств был свернут и вплоть до 2003 г его не возобновляли. До настоящего времени сохранились производства ДНА в Санкт-Петербурге, Снежинске, Белоруссии и на Украине. В последнее время интерес к ДНА начал проявляться у исследователей во всем мире.

ДНА получают путем химических превращений  на фронте детонационной волны при  взрыве мощных взрывчатых веществ (смесь  тротила и гексогена). В газах, образующихся при детонации ряда взрывчатых веществ, содержится значительное количество свободного углерода, из которого в условиях высоких температуры и давлений, достигаемых при взрыве, формируется алмазная фаза углерода. Наноалмаз- самая устойчивая термодинамическая форма углерода. На сегодняшний день не существует единой теории образования ДНА.Согласно представлениям о термодинамике образования ДНА, основным аспектом, обеспечивающим возможность возникновения алмазов в процессе адиабатического распада углерода взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом, является факт конденсации свободного углерода в алмазной или жидкой фазе. Адиабатическое расширение продуктов детонации следует за детонацией. При этом условия стабильности алмаза сохраняются недолго. Если плотность продуктов детонации близка к начальной плотности взрывчатого вещества, то условия стабильности алмаза сменяются условиями стабильности графита. При адиабатическом разлете давление продуктов детонации падает быстрее температуры, поэтому термодинамическое состояние углеродной компоненты оказывается в области устойчивости графита при высокой температуре, что способствует фазовому переходу алмаза в графит. Но при некоторой температуре скорость графитизации понижается и поэтому на этих (последних) стадиях разлета продуктов детонации количество углерода, перешедшего из алмазной фазы в графитную, становится пренебрежимо малым — это «заморозка» графитизации и сохранение алмазной фазы. Таким образом, переход алмаз-графит происходит при условии превышения температуры заморозки графитизации. Если Т>>Тзам, то весь алмаз успевает превратиться в графит, и в остывших продуктах детонации УДА не обнаруживается. Таким образом, температура имеет решающее значение, и в этом процессе она во многом определяется конфигурацией заряда (теплопроводностью среды). Оптимальными условиями образования УДА в детонационной волне и его сохранения является относительно высокое давление при низкой температуре продуктов детонации, соответствующие точке Чепмена-Жуге. Таким образом, в детонационном синтезе наноалмазов присутствуют 3 стадии:

1.Образование свободного углерода в результате детонационного превращения взрывчатого вещества.

2.Быстрое расширение продуктов  детонации и охлаждение алмазных  частиц ниже температуры графитизации.

3.Интенсивный тепломассообмен  между продуктами детонации и  средой, окружающей заряд.

Начиная с конца 90-х, НА использовались как компонент сорбентов смазок, полировочных композиций и как добавка  к электролитическим и др. осадительным ваннам. До сих пор много потенциальных  применений этого наноматериала, включая  биомедицинские области и области структурных композитов, остаются неосвоенными.

Детонационный синтез алмазов  является сравнительно дешевым и  быстрым по времени способом производства искусственных алмазов. Однако, среди семейства искусственных алмазов детонационные наноалмазы на сегодняшний день занимают наименее выгодное положение. Это обусловлено многими факторами: трудоемкая технология очистки алмазов детонационного синтеза, вызванная как низким процентным содержанием алмазного углерода в продуктах детонации, так и дополнительным загрязнением со стороны детонационной камеры; высокая степень их полидисперсности как следствие стихийности детонационного процесса. Но главным, по-видимому, препятствием к широкому использованию ДНА является невоспроизводимость получаемого продукта в партиях, выраженная в разноразмерности, разном элементном и функциональном составе; отсутствие единого стандарта параметров среди разных производителей и как следствие, точного определения наноалмаза детонационного синтеза. Поэтому, любые работы по исследованию, модифицированию, нахождению новых областей применения ДНА, являются актуальными, поскольку открывают пути использования данного продукта. Это объясняет повышенный интерес исследователей во всем мире в 2000-х годах к наноалмазам вообще и к детонационным наноалмазам в частности, как к наиболее доступным из всего семейства алмазов.

В настоящее время  термин «наноалмаз» применяется, вообще говоря, к нескольким объектам: наноалмазные кристаллы, встречающиеся в метеоритах, кристаллические зерна поликристаллических алмазных пленок и, наконец, наноалмазные порошки и суспензии, получаемые методом детонационного синтеза.

УДА можно получать с  заданными свойствами и успешно применять в качестве сорбентов, катализаторов, лекарственных препаратов.

 

5 Углеродный наноматериал графит

Наиболее широкое распространение  получил метод синтеза, основанный на использовании дугового разряда  с графитовыми электродами, разработанный  Кретчмером для получения фуллеренов из сажи.

Получение углеродных нанотрубок методом катодного распыления организуется следующим образом. Герметичный  объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10^-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (He или Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которых является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют углеродный катод, вызывая его распыление.

Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на охлаждаемых стенках  камеры, а часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки, - на поверхности катода.

Однослойные нанотрубки образуются при добавлении в анод небольшой примеси Fe, Co, Ni, Cd (то есть при добавлении катализаторов). Кроме того, ОСНТ получаются при окислении многослойных нанотрубок. С целью окисления многослойные нанотрубки обрабатываются кислородом при умеренном нагреве либо кипящей азотной кислотой, причем в последнем случае происходит удаление пятичленных графитовых колец, приводящее к открытию концов трубок. Окисление позволяет снять верхние слои с многослойной трубки и открыть ее концы. Так как реакционная способность наночастиц выше, чем у нанотрубок, то при значительном разрушении углеродного продукта в результате окисления доля нанотрубок в оставшейся части увеличивается.

На выход нанотрубок влияет множество факторов, в частности, давление буферного газа в реакционной камере, ток дуги, эффективность охлаждения стенок камеры и электродов и т.д.

5.1 Графен  — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку (Рис5).

Рис 5

 Его можно представить  как одну плоскость графита,  отделённую от объёмного кристалла.  По оценкам, графен обладает  большой механической жёсткостью  и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа и ~5·10³ Вт·м⁻¹·К⁻¹ соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основной из существующих в настоящее время способов получения  графена в условиях научных лабораторий  основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита (HOPG)(Рис 6). Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

 

Рис 6

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Из-за особенностей энергетического  спектра носителей графен проявляет  специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические  свойства.

За «передовые опыты  с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год.

 

 5.2 Лазерное испарение графита

В 1995 году появилось сообщение о синтезировании углеродных нанотрубок методом распыления графитовой мишени под воздействием импульсного лазерного излучения в атмосфере инертного газа (He или Ar). Графитовая мишень находится в кварцевой трубке при температуре 1200 ^oС, по которой течет буферный газ (Рис 7).

Рис 7

Фокусирующийся системой линз лазерный пучок сканирует поверхность  графитовой мишени для обеспечения  равномерного испарения материала мишени. Получающийся в результате лазерного испарения пар попадает в поток инертного газа и выносится из высокотемпературной области в низкотемпературную, где осаждается на охлаждаемой водой медной подложке. Сажа, содержащая УНТ, собирается с медной подложки, стенок кварцевой трубки и обратной стороны мишени.

Так же, как и при  катодном распылении графита, получается несколько видов конечного материала: фуллерены, наночастицы графита  и углеродные нанотрубки (однослойные  и многослойные). Структура и концентрация УНТ в исходном материале главным образом определяются температурой. При 1200 ^oС УНТ не содержат дефектов и имеют шапочки на окончаниях. При понижении температуры синтеза до 900 ^oС в УНТ появляются дефекты, число которых увеличивается с дальнейшим понижением температуры, и при 200 ^oС образование УНТ не наблюдается.

В качестве разновидности  получил распространение метод, где вместо импульсного лазерного  использовалось сфокусированное солнечное  излучение. Данный метод применялся для получения фуллеренов, а после доработки - для получения УНТ. Солнечный свет, попадая на плоское зеркало и отражаясь, формирует плоскопараллельный пучок, падающий на параболическое зеркало. В фокусе зеркала расположена графитовая лодочка, заполненная смесью графитового и металлического порошков. При хорошей юстировке температура на композитной мишени достигает 3000 K. Лодочка находится внутри графитовой трубки, которая играет роль теплового экрана. Вся система помещена в камеру, заполненную инертным газом.

По сравнению с методом  дугового разряда, прямое испарение  позволяет обеспечить более детальный  контроль условий роста, проводить  длительные операции и производить  нанотрубки с большим выходом  конечного продукта лучшего качества.