Материалтану
ҒАРЫШТЫҚ ТЕХНИКАДАҒЫ НАНОМАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯЛАР
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
ҒАРЫШТЫҚ ТЕХНИКАДАҒЫ НАНОМАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ НАНОТЕХНОЛОГИЯЛАРНанотехнологияның физикалық негіздері және наноматериалдардың қасиеттеріӨлшемді әсерлер Нанотехнология әр түрлі конфигурациядағы материалдық нысандарды қамтитын нано объектілерді құру мәселелерін шешеді: бөлшектер (дәндер), талшықтар, түтіктер, пленкалар және т.б., олардың кем дегенде, сызықтық мөлшері 1–100нм диапазонында, сәйкесінше наноқұрылымды (наноқұрылымды) материалдар немесе жай наноматериалдар деп аталатын материалдар және наноматериалдарда қолданылатын дайын өнімдер. Наноқұрылымдар конфигурациясына байланысты наноқұрылым элементтері немесе наноқұрылымдар деп аталады. "Нанотехнология" терминін көпше түрде қолдану, әдетте, осы саладағы бағыттардың әртүрлілігін көрсетеді немесе кейбір нақты технологиялар кешенін білдіреді. Нанотехнология дәстүрлі технологиялардың көмегімен қол жеткізуге болмайтын түбегейлі жаңа пайдалану қасиеттері бар материалдар мен дайын өнімдерді жасауға арналғанын атап өткен жөн. Наноматериалдар өте алуан түрлі. Сонымен, нанобөлшектердің жиынтығы, яғни наноұнтақ, тәуелсіз материал ретінде, мысалы, катализатор ретінде пайдаланылуы мүмкін. Наноұнтақтарды жентектеу немесе престеу арқылы олардан беріктігі жоғары қатты материалдарды алуға болады. Толтырғыштар ретінде наноұнтақтар бірегей механикалық, жылу немесе электрофизикалық сипаттамалары бар әртүрлі композициялық материалдардың құрамына кіруі мүмкін. Неліктен наноматериалдар осындай керемет қасиеттерге ие, бұл сұраққа қысқаша жауап беруге болады: біріншіден, микро-нано - объектілерден өткен кезде, бетіндегі атомдар санының қатынасы артады, нәтижесінде беттік өзара әрекеттесу күштері мен бөлу шекаралары заттың қасиеттеріне әсері артады, екіншіден, бөлшектердің мөлшерінің азаюымен кванттық әсерлер көбірек көрінеді. Бірінші фактордың рөлі шешуші болып табылады, мысалы, бірегей механикалық қасиеттері бар наноматериалдарды алу кезінде, ал екіншісі – наноэлектроника элементтерін құру кезінде. Осылайша, наноқұрылымды зат өзінің көлемдік күйінде затқа тән физика - химиялық қасиеттерден өзгеше жаңа қасиеттерге ие болады деп айтуға болады. Көптеген заттар үшін көбінесе наносостат деп аталатын сапалы жаңа күйге көшу, құрылымдық элементтердің мөлшері 100 нм-ден аз болған кезде басталады. Зат наносостатқа ауысқан кезде оның қасиеттері оны құрайтын нано объектілердің мөлшеріне қатты тәуелді бола бастайды, бұл объектілердің мөлшері азайған кезде олардың қасиеттері мен басқа объектілермен өзара әрекеттесу сипатындағы өзгерістердің салдары болып табылады. Бұл объектінің мөлшері заттың белгілі бір процестерінің жүруіне және, тиісінше, оның қасиеттеріне айтарлықтай әсер ететін заттың қандай да бір параметрімен салыстырылған кезде пайда болатын өлшемді әсерлер. Бұл параметр классикалық физика аясында немесе кванттық механикалық көріністер негізінде сипатталған процестерді сипаттай алады. Классикалық өлшемді эффекттер үшін заттағы зарядталған бөлшектердің бос жүгірісінің ұзындығын, диффузиялық ұзындығын, кристалды құрылымдардағы дислокацияның сырғанау траекторияларының диаметрін (франк–Рид ілмектері) және т.б. қарастыруға болады, ал кванттық өлшемді деп аталатын кванттық өлшемді эффекттер үшін де Бройль толқын ұзындығы көбінесе тиісті параметр болып табылады. Сур. 5.1. N атомдарының толық санына және Au (a) үшін NS бетіндегі атомдар санына және Au және GaAs (b) үшін беттік атомдардың үлесіне нанобөлшектің мөлшеріне d тәуелділік Өлшемдік әсерлердің нано объектінің қасиеттеріне ықтимал әсерін бағалау кезінде бетіндегі атомдар санының олардың объектідегі жалпы санына қатынасы маңызды көрсеткіш болып табылады. 5.1 сур. бетінде орналасқан атомдар үлесінің алтын мен галлий арсенидіне (GaAs) арналған бөлшектердің мөлшеріне тәуелділігін көрсетеді. Бөлшектердің мөлшері 10 нм-ден аз болған кезде беткі атомдардың үлесі тез өсе бастайды. Металдарға тән түйіршікті құрылымы бар заттардың қасиеттеріне дәндер (кристаллиттер) арасындағы бөлу беттерінің зат көлеміндегі мөлшері үлкен әсер етеді. 5.2 - сур. 1 нм шекара аймағының болжамды қалыңдығы кезінде астық мөлшеріне байланысты осы параметрдің өзгеруі көрсетілген. Астық мөлшері 100 нм болған кезде бөлім беттерінің көлемдік үлесі байқалады (шамамен 3%), ал 10 нм және одан аз болған кезде ол ондаған пайыздармен өлшенеді. Сур. 5.2. Бөлім беттерінің көлемдік құрамының d түйірлерінің мөлшеріне тәуелділігі Кванттық өлшемді эффектілерді талдау кезінде өлшем немесе наноөлшемдік деп аталатын наноқұрылым параметрін қолдану ыңғайлы. Наноқұрылымдардың өлшемі қарастырылып отырған объектінің өлшемдері, нанодиапазонның сыртында болатын және өлшемді эффектілермен байланысты ешқандай ерекшеліктер көрінбейтін өлшемдер санымен анықталады. Осы параметр бойынша барлық нысандарды төрт топқа бөлуге болады: 3D – объектілер - микро-және макродиапазондар объектілері (көлемді материалдар); 2D – нысан-наноүлдірлер; 1D – Нысандар-нанофилдер, нанотүтікшелер және т. б.; 0D нысандары – нанобөлшектер, нанокристалдар, кванттық нүктелер. Мұнда 1D және 0D нысандарының арасында нанотехнологияда өте маңызды рөл атқаратын нанотүтікшелер мен кванттық нүктелер көрсетілген, олар төменде толығырақ талқыланады. Жоғарыда келтірілген жіктеу көбінесе тиісті топтардың объектілерінен тұратын материалдарға да қолданылады. Кванттық әсерлер, егер объектінің өлшемдері объектінің ішінде қозғалатын бөлшектердің де Бройл толқын ұзындығымен салыстырылатын болса, жоғарыда айтылғандай көрінеді. Кристалл құрылымында қозғалатын электрондар үшін де Бройль толқынының ұзындығы: мұндағы h = 6,625 – 10– 34 Дж – с – Планк тұрақтысы; m*, v, E - сәйкесінше электронның тиімді массасы, жылдамдығы және кинетикалық энергиясы. m* тиімді массасын енгізу арқылы кристалдық құрылым атомдарының электронның қозғалысына әсері ескеріледі. Металдарда электронның тиімді массасы оның тыныштық массасынан аз ерекшеленеді (m* » m0 = 9,1×10-31 кг), бірақ жартылай өткізгіштерде бұл параметр жеткілікті кең диапазонда өзгеруі мүмкін (мысалы, Si m* үшін, = 0, 92m0, ал GaAs m* = 0, 07m0 үшін). Тиімді массадан басқа, металдар мен жартылай өткізгіштерде қозғалатын электрондар энергия жағынан айтарлықтай ерекшеленеді. Металдар үшін электронды газ балқу температурасынан төмен температурада нашарлайды, тек Ферми деңгейіне жақын энергиясы бар электрондар зарядты тасымалдауға қатысады температурасында жартылай өткізгіштер үшін E 0,026 эВ. Бөлме Нәтижесінде металдар үшін 0,55 нм, яғни тұрақты Кристалл торына жақын мән алынады. Сондықтан металдар жағдайында кванттық пропорционал әсерлер өте кішкентай заттарға ғана көрінуі мүмкін. Жартылай өткізгіштер үшін сым ондаған нанометрге жетуі мүмкін, мысалы, Si үшін ол 8 нм, ал GaAs үшін – 30 нм. Нәтижесінде кванттық эффектке негізделген наноқұрылымдар әдетте жартылай өткізгіш құрылымдарда жасалады. Кванттық әсерлердің материалдардың қасиеттеріне (химиялық, электрлік, оптикалық, жылу) әсерін g(E) электронды күйлерінің тығыздығын бөлу арқылы бағалауға болады, яғни бір энергия интервалына келетін кванттық күйлер санының e электрондарының энергиясына тәуелділігі. 7.3 - сур. әртүрлі өлшемдегі объектілер үшін G(E) тәуелділіктері келтірілген. 3D объектісінде электрондар барлық үш өлшемде еркін қозғалады. Егер қалыңдығы де Бройль толқынының ұзындығына сәйкес келетін пленканы қарастыратын болсақ, онда бұл жағдайда электрондар тек пленка жазықтығында еркін қозғалады, ал үшінші өлшемде олардың қозғалысы потенциалды тосқауылмен шектеледі, оның биіктігі шығу жұмысы мен электрондардың жылу қозғалысының энергиясы арасындағы айырмашылықпен анықталады. Жартылай өткізгіштер үшін шығу жұмысы 1- 6 эВ диапазонында жатыр. Бұл мән жоғарыда көрсетілген электрондардың жылу қозғалысының энергиясымен салыстырғанда үлкен (~0,026 эВ). Осылайша, пленка жазықтығына перпендикуляр бағытта электрондар терең потенциалдық шұңқырға түседі және олардың осы өлшемдегі қозғалыс энергиясы пленка жазықтығында орналасқан бағыттардағы электрондардың үздіксіз энергетикалық спектрлерімен үйлесіп, g(E) сатылы тәуелділікке ие болады. Осыған сүйене отырып, 2D нысаны әдетте кванттық шұңқыр (quantum well) деп аталады. Сур. 5.3. Әр түрлі өлшемдегі объектілер үшін g(E) тәуелділігі Егер біз электрондардың қозғалысына кванттық шектеуді тағы бір өлшемде енгізсек, онда кванттық сым (quantum wire) деп аталатын 1D нысанын аламыз. Бұл жағдайда g(E) тәуелділігі өте тар шыңдар жиынтығымен көрінеді. Егер үшінші өлшемде де Бройльдің толқын ұзындығына жақын болса, онда ол 0d наноөлшемді кванттық нүктеге (quan - tum dot) айналады, онда жеке атомдар сияқты электрондар тек энергия күйлерінің дискретті жиынтығына ие болады. Осының арқасында кванттық нүктелер негізінде лазерлер мен наноэлектрониканың әртүрлі элементтері сәтті құрылуы мүмкін. Жартылай өткізгіш кванттық нүктелердің типтік өлшемдері 5-15 нм құрайды, ал олардағы атомдардың саны ондаған мың бірліктермен өлшенеді, бірақ үлкен кванттық нүктелерді алу технологиялары жасалды. Нанодиапазонның типтік объектілері және олардың басқа мөлшердегі объектілер арасындағы орны туралы жалпы түсінік кесте береді. 7.1. кестеден нанодиапазонға көптеген кең таралған биологиялық құрылымдардың, мысалы, ДНҚ-ның әйгілі қос спиральының (дезоксирибонуклеин қышқылының молекулалары) және ақуыздардың мөлшері түсетінін көруге болады. Мұндай құрылымдар нанотехнологияда өздігінен де, бейорганикалық құрылымдармен де белсенді зерттелген және кеңінен қолданылатын нанобөлшектер - бұл бір қабатты және көп қабатты көміртекті нанотүтікшелер (КНТ). Қазіргі заманғы интегралды схемалардың топологиялық элементтері нанодиапазонның жоғарғы бөлігінде орын алады, ал оларды одан әрі азайту процесі жүреді, алайда ол сөзсіз кванттық мөлшерлі әсерлермен және наноэлектрониканың түбегейлі жаңа элементтеріне көшу қажеттілігімен шектеледі. Шағын мәндер жағынан нанодиапазон атомдар мен молекулалардың өлшем аймағымен тікелей жабылады, ал нано объектілерді микро объектілерден бөлетін оның жоғарғы шекарасы жеткілікті түрде шартты түрде белгіленеді. Жалпы жағдайда оны заттың қасиеттерін анықтайтын кез- келген сипаттамалық өлшем параметрлерімен, мысалы, магниттік домендердің өлшемдерімен, заряд тасымалдаушылардың бос жүрісінің ұзындығымен немесе де Бройль толқын ұзындығымен байланыстыруға болмайды, өйткені әртүрлі заттар үшін бұл параметрлердің мәні айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін. Кесте 1.2. Әр түрлі өлшемді диапазондарға жататын объектілердің мысалдары
Осы бөлімді қорытындылай келе, нанотехнологиялар мен қолданыстағы микро - және макротехнологиялардың тағы бір маңызды айырмашылығы–оларды жеке атомдар мен молекулалардан жинау арқылы қажетті құрылымдарды, материалдар мен бұйымдарды құруды көздейтін "төменнен жоғары" қағидатын іске асыру мүмкіндігі. Бұл жағдайда тірі жүйелердегідей интератомиялық және молекулааралық өзара әрекеттесулерге байланысты наноқұрылымдардың өзін-өзі ұйымдастыру және өзін-өзі жинау процестеріне маңызды рөл беріледі. "Жоғары" деп те аталатын бұл принцип материалдарды механикалық өңдеу, оларды химиялық өңдеу, ұсақтау және т. б. процестер арқылы жүзеге асырылатын дәстүрлі "жоғарыдан–төменге" ("төмен") технологиялық принциптен түбегейлі ерекшеленетіні анық. Наноматериалдар мен наноөлшемді құрылымдардың қасиеттеріне өлшемді әсерлердің әсері Өлшемді әсерлер наноматериалдардың барлық қасиеттеріне белгілі бір дәрежеде әсер етеді. Астық мөлшерінің наноқұрылымды материалдардың қасиеттеріне әсер етуінің айқын көріністерінің бірі-наноматериалдардың балқу температурасының алтын үшін 7.4-суретте көрсетілген астық мөлшеріне тәуелділігі. Сур. 5.4. Tпл Au нанобөлшектерінің балқу температурасының олардың диаметріне тәуелділігі d Бөлшектердің мөлшерінің азаюымен балқу температурасы алдымен баяу төмендейтіні байқалады (диаметрі 10 нм болатын нанобөлшек үшін шамамен 104 атом бар, ол көлемді материалдың балқу температурасына жақын), содан кейін күрт төмендейді. Балқу температурасының мұндай өзгеруі беттік атомдардың үлесінің бөлшек мөлшеріне тәуелділігімен жақсы байланысты. Оларды қолдану мен өңдеудің ерекшеліктерін анықтайтын материалдардың маңызды механикалық сипаттамалары: беріктік-бұл механикалық жүктемелерге зақым келтірместен төтеп беру қабілеті, икемділік-жүктемелердің әсерінен қайтымсыз деформация мүмкіндігі және материалдың оған қатты анықтамалық материалдың шегінуіне төзімділігімен сипатталатын қаттылық. Жалпы алғанда, наноматериалдар қарапайым көлемді материалдармен салыстырғанда жоғары механикалық сипаттамаларға ие. Бұл наноөлшемді дәндердің бетінде орналасқан атомдар арасындағы өзара әрекеттесудің айтарлықтай күштерімен, осындай дәндердегі құрылымдық ақаулардың аздығымен және жоғарыда аталған дислокациялардың таралуы үшін бөлім шекаралары – кристалдық құрылымның бұзылу аймақтары арқылы пайда болатын кедергілермен түсіндіріледі, олардың өлшемдері тор параметрінен едәуір асады. Сур. 5.5. Материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен икемділігі арасындағы сапалық байланыс (а) және әртүрлі болаттарға арналған механикалық параметрлер арасындағы байланыс (б): 1-беріктігі жоғары; 2- төмен көміртекті; 3-нанокристалды Наноқұрылымды материалдардың ірі түйіршікті материалдардан сапалы артықшылығы суретте көрсетілген. 5.5 а, бұл материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен икемділігі арасындағы қатынасты көрсетеді. Наноматериалдар үшін барлық параметрлердің жақсаруы байқалады. 7.5б сур. әр түрлі маркалы болат үлгілерінің механикалық параметрлері арасындағы сандық қатынасты көрсетеді. Мұнда абсцисса осі бойынша сынғанға дейін үлгілердің салыстырмалы ұзару мәндері, ал ординат осі бойынша – гигапаскальдарда өлшенетін беріктік шегінің мәндері кейінге қалдырылады (1 ГПа = 109 Па, 1 Па = 1 Н×м-2). Астық мөлшерін металдарға арналған нанодиапазонға ауыстыру кезінде қаттылықтың жоғарылауы 500-600% жетуі мүмкін, ал сынғыш материалдар үшін, мысалы, керамика үшін - 200-300%. Қалыңдығы нанодиапазонда, яғни 2D объектілерінен тұратын әртүрлі құрамдағы ауыспалы пленкалардан тұратын кейбір көп қабатты материалдар өте жоғары қаттылыққа ие. Жоғары қаттылық көрші қабаттардың кристалды құрылымдарының сәйкес келмеуіне байланысты қамтамасыз етіледі, бұл қабаттар арасындағы дислокацияның қозғалысына кедергі келтіреді. Алайда, кейбір қорытпалар үшін дән мөлшері өте аз (5-10 нм) қаттылықтың төмендеуі байқалады. Мұны қорытпа ішіндегі дәндердің шекараларын бұзып, оны наноқұрылымнан аморфты материалға айналдыру арқылы түсіндіруге болады. Мұндай әсерлер көбінесе наноматериалдарды алу әдісіне байланысты. Наноқұрылымды материалдардың басқа механикалық қасиеттері де құрылым элементтерінің орналасуы мен өзара бағытына байланысты. Тапсырыс деп аталатын бұл сипаттама нанокомпозиттер үшін өте маңызды, олар туралы ақпарат төменде келтірілген. Шағын мөлшердегі жеке нанобөлшектердің химиялық қасиеттеріне бөлшектердің электронды құрылымының ерекшеліктеріне байланысты кванттық өлшемдер әсер етуі мүмкін, бұл олардың химиялық реакцияларға түсу қабілетіне байланысты. Мысалы, 10-30 атомнан тұратын шағын металл кластерлер үшін кластерлердің газ орталарымен реакция жылдамдығының кластердегі атомдар санына монотонды емес тәуелділігі алынды, бұл кластерлердің электронды құрылымының олардың реактивтілігіне әсерін көрсетеді. Үлкен нанобөлшектер үшін реактивтілік беттік атомдардың санына байланысты болады. Нәтижесінде қалыпты жағдайда, химиялық белсенді емес деп саналатын кейбір заттардың нанобөлшектері жоғары реактивтілікті көрсетеді. Сонымен, өлшемі 3-5 нм болатын Аu нанобөлшектері айтарлықтай каталитикалық белсенділікті көрсетеді. Ұқсас деректер Pt бөлшектері үшін де алынады. Наноқұрылымды материалдардың химиялық қасиеттері осы параметрдің заттың реактивтілігіне және оның көлеміндегі диффузия процестеріне әсер етуіне байланысты астық мөлшеріне де байланысты. Нанотехнологияны бейсаналық түрде қолданудың ең жиі кездесетін тарихи мысалы-наноөлшемді металл бөлшектерін пісіру кезінде әйнектерге ерекше оптикалық қасиеттер беру. Бұл технология ортағасырлық соборлардың витраждарын жасаған шеберлерге де белгілі болды. Енді мұндай көзілдіріктерде пайда болатын түрлі-түсті әсерлер олардың кристалдық торының күш өрісіндегі металл нанобөлшектердің өткізгіштік электрондарының жоғары жиілікті тербелістерінің жарық толқынымен қозуы туралы идеялар негізінде түсіндіріледі. Қозған тербелістердің жиілігі бөлшектердің мөлшеріне байланысты-олар неғұрлым аз болса, тербелістердің жиілігі соғұрлым жоғары болады. Бұл бөлшектердің мөлшерінің әйнектің оптикалық сіңіру спектрінің максималды толқын ұзындығының шкаласындағы металл нанобөлшектері бар позицияға, демек әйнектің түсіне әсерін анықтайды. Сонымен қатар, металл нанобөлшектері бар мөлдір шыны матрица болып табылатын мұндай оптикалық орта үшін сыну коэффициентінің, оқиға жарығының қарқындылығына сызықтық емес тәуелділігі байқалуы мүмкін, бұл да осындай ортада жарықтың таралуына әсер етеді. Сур. 5.6. Әр түрлі мөлшердегі CdS бөлшектерін оптикалық сіңіру спектрлері: 1-40 нм; 2-20 нм Жартылай өткізгіш кванттық нүктелердің бөлшектерінің мөлшерін өзгерту арқылы белгілі бір шектерде өзгеруі мүмкін әртүрлі толқын ұзындығында жарық сіңіру және шығару қабілеті және бөлшектердегі атомдардың жеткілікті көп болуына байланысты сәулеленудің жоғары қарқындылығына қол жеткізу мүмкіндігі кванттық нүктелерді олардың негізінде дамыту үшін өте перспективалы етеді. Лазерлер және басқа құрылғылар да жатады. Оптикалық кванттық құрылғыларды ғана емес, сонымен қатар электронды құрылғыларды да құрудың қосымша кең мүмкіндіктері жартылай өткізгіш деп аталатын супер-торларды – кристалдық құрылымдарды қолдануға жол ашады, онда кристалл торының периодтық потенциалы әр түрлі құрамдағы ауыспалы, жартылай өткізгіш нанопленка немесе өткізгіштік түрінде ерекшеленетін нанопленкалар шығаратын айтарлықтай үлкен периодты потенциалға (10-50 нм) әсер етеді. Осылайша, шамадан тыс ұяшықтарға белгілі бір сенімділік түрі тән деп айта аламыз. Мерзімді наноөлшемді жартылай өткізгіш құрылымдар екі маңызды қасиетке ие. Біріншіден, оларда резонанстық туннель эффектісі болуы мүмкін, бұл электронның ықтимал кедергіні жеңу жылдамдығын едәуір арттырады. Бұл көлеңкелі шұңқырдағы электронның энергия мәні көрші потенциалдық шұңқырдың энергия деңгейлерінің біріне сәйкес келген кезде пайда болады. Екіншіден, мұндай құрылымдардың энергетикалық диаграммдарында валенттілік аймағы мен жартылай өткізгіш кристалдардың өткізгіштік аймағы супер - тордың мерзімді потенциалында бөлінетін минизондар пайда болады. Супер тордың энергетикалық диаграммасының параметрлерін қолданылатын жартылай өткізгіш пленкалардың қалыңдығын және олардың құрамын өзгерту арқылы өзгертуге болады. Потенциалды шұңқырдың ені азайған кезде минизондар мен тыйым салынған аймақтың ені арасындағы энергия алшақтықтары артады, ал потенциалды тосқауылдың енінің төмендеуі минизондардың кеңеюіне әкеледі. Жартылай өткізгіш супервайзерлердің осы керемет қасиеттерінің арқасында олардың негізінде әртүрлі оптикалық құрылғылар жасауға болады: фотоқабылдағыштар, жарық диодтары және лазерлер, соның ішінде инфрақызыл диапазонда жұмыс істейді. Шамадан тыс торлардың өте маңызды түрі фотонды кристалдар болып табылады - сыну коэффициенті мезгіл – мезгіл өзгеретін құрылымдар. Мұндай өзгеріс шамадан тыс тордың тізбегін жарықтың толқын ұзындығымен салыстырған кезде пайда болады және оны бір, екі және үш өлшемде байқауға болады. Тиісінше, 1D, 2D және 3D фотонды кристалдар бар. Практикалық тұрғыдан алғанда, фотон кристалдарының басты қасиеті- оларда белгілі бір энергиялардың фотондарын таратуға рұқсат етілген және тыйым салынған кеңістіктік аймақтардың болуы және бұл аймақтар кристалл ішінде әртүрлі конфигурациялар мен бағдарларға ие болуы мүмкін. Кристалдарға ақауларды енгізу арқылы сіз арнайы оптикалық қасиеттері бар жергілікті аймақтарды жасай аласыз. Фотон кристалдарының негізінде оптикалық сүзгілер, толқын резонаторлары және кейбір ерекше оптикалық құрылғылар жасалады, олардың құрамына суперлинзалар кіреді, бұл жарықтың фокустау аймағын толқын ұзындығынан аз мөлшерге дейін азайтуға мүмкіндік береді. Фотон кристалдарын қолдана отырып, әртүрлі логикалық және сақтау құрылғыларын салуға болады, бұл оларды фотониканың негізгі элементтерінің бірі етеді – ғылыми және қолданбалы мәселелердің кең спектрін шешу үшін фотондардың қозғалысын құру, тіркеу және басқару мәселелерімен айналысатын физика мен техниканың саласы. Фотониканың маңызды бөлімдерінің бірі-ақпаратты беру мен өңдеудің фотондық технологияларын зерттейтін оптоинформатика. Бұл технологияларды қолдану ақпарат тасымалдаушысы ретінде электр заряды қолданылатын дәстүрлі электронды құрылғылармен салыстырғанда логикалық элементтер мен олардың негізінде жасалған құрылғылардың, атап айтқанда компьютерлердің жылдамдығын едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Материалдардың электр өткізгіштігіне классикалық және кванттық өлшемді әсерлер әсер етеді. Өткізгіште хаотикалық жылу қозғалысын жүзеге асыратын электрондар тербелмелі торлы иондармен соқтығысып, соқтығысулар арасында біршама орташа қашықтықты жүріп өтеді, бұл олардың жүру ұзындығы деп аталады. Егер өткізгішке потенциалдар айырмасы қолданылса, онда олардың электр өрісіндегі реттелген дрейфі 10-3 м∙с-1-ге дейін созылады, бұл жылу қозғалысының жылдамдығынан бірнеше есе төмен. Металдардағы электр тогының пайда болуындағы басты рөлді электрондардың дрейф жылдамдығы емес, олардың жоғары концентрациясы ойнайды (1028-1029 м-3). Әр түрлі металдар үшін электрондардың бос жүрісінің ұзындығы шамамен 10 - 100 нм құрайды, бұл тұрақты кристалдық тордан әлдеқайда көп. Алайда, егер өткізгіштің өлшемдері жеткілікті үлкен болса (3D нысаны), онда потенциалдар айырмасы қолданылатын контактілер арасындағы жолдағы электрон тор иондарымен соқтығысудың едәуір санына ұшырайды. Электронның бұл қозғалыс режимі диффузиялық деп аталады. Егер өткізгіштің өлшемдері нанодиапазонда болса және электрондардың бос жүру ұзындығынан аз болса, онда барлық электрондар контактілер арасындағы қашықтықты аралық соқтығысусыз өтеді. Бұл жағдайда олардың қозғалысының баллистикалық режимі жүзеге асырылады. Сур. 5.7. Ni үлгілері үшін дән мөлшері кезіндегі (Т) тәуелділіктері, [нм]: 1 – 3∙105; 2 – 55; 3 – 30; 4 – 27; 5 – 22 Екі режимде де нано өткізгіштердегі электрондардың қозғалысына қосымша кедергілер дәндер арасындағы бөлу беттерімен жасалады, олардың көлемі астық мөлшерінің азаюымен артады. Тиісінше, наноматериалдардың нақты кедергісі артады, бұл суретте көрсетілгендермен расталады. 7.7 дән мөлшерімен ерекшеленетін никель үлгілерінің реакцияларына нақты қарсылықтың температуралық тәуелділігі. Ұқсас тәуелділіктер нанопленкалар үшін де алынады. Астық мөлшері металл материалдарының жылу өткізгіштігіне ұқсас әсер ететінін ескеріңіз. Металдар үшін жылу өткізгіштіктің электронды компоненті басым болғандықтан, олардың мөлшерінің азаюымен байланысты дән шекараларында электрондардың қосымша шашырауы жылу өткізгіштіктің төмендеуіне әкеледі. Мысалы, күміс үшін ірі түйіршікті құрылымнан 20-50 нм астық мөлшері бар құрылымға көшу кезінде оның 3-4 есе төмендеуі байқалды. Баллистикалық наноөткізгіштің өлшемдері де Бройльдің толқын ұзындығымен салыстырылған кезде, контактілер арасындағы зарядтың берілуіне жоғарыда қарастырылған электронды күйлердің квантталуы әсер ете бастайды. Бұл жағдайда наноөткізгіштің қимасының төмендеуімен оның өткізгіштігі электронды күйлердің тығыздығының дискреттілігімен анықталады, оның дәрежесі наноөткізгіштің мөлшеріне байланысты болады. Теориялық тұрғыдан, өткізгіштік квант деп аталатын мұндай өткізгіштің минималды мәні 2e2 / h (e – элементар заряд; h-Планк тұрақтысы). Оған кері мән қарсылық кванты деп аталды – h / 2e2 » 12,9 кОм. Экспериментальды түрде өткізгіштіктің квантталуын абсолютті нөлге жақын температурада ғана байқауға болатындығын ескеріңіз, өйткені бұл әсер электрондардың жылу қозғалысымен эрозияға ұшырайды. Наноөлшемді құрылымдар арқылы өтетін электр тогының кванттау әсерін қолдана отырып, наноэлектроника элементтерін жасауға болады, олардың жұмысы бір электронның зарядына дейін өте аз электр зарядтарымен басқарылады, ал қазіргі микроэлектроника элементтері үшін 105-106 электронды заряд қажет. Материалдардың магниттік қасиеттері олардың құрылымдық элементтерінің мөлшеріне де байланысты. Егер зат магнит өрісіне h кернеуімен қойылса, онда жалпы жағдайда оның ішіндегі магнит индукциясы B0 магнит өрісінің бастапқы индукциясынан деп аталады және келесі өрнекпен анықталады: M = 0H, = B B 0, ол M магниттелуі мұндағы, жылдамдық - магниттік сезімталдық; 1,257 В с А 1 м 1 магнит тұрақты болады. Магниттік индукцияның өзгеру дәрежесі салыстырмалы магнит өткізгіштігімен сипатталады B / B0. Fe, Co және Ni типтік өкілдері болып табылатын ферромагниттер үшін и > 0, кернеулер, яғни олар үшін магнит өрісінің зат көлемінде айтарлықтай өсуі байқалады. Бұл ферромагниттерде домендер деп аталатын белгілі бір аудандардағы жеке атомдардың магниттік моменттері, домендердің магниттелуін қамтамасыз ете отырып, бір бағытта бағытталған. Магнит өрісінде жеке домендердің магниттелу векторлары оның күш сызықтары бойымен бағытталады, бұл өрістің жоғарылауына әкеледі. Гистерезис ілмегін сипаттайтын ферромагниттік материалдардың маңызды параметрлері: материалдың максималды магниттелуін сипаттайтын B S қанықтыру индукциясы, сыртқы магнит өрісі жойылғаннан кейін материалдың магниттелу дәрежесін көрсететін Br қалдық индукциясы және Hc – сыртқы магнит өрісінің кернеулігі, онда қалдық индукция нөлдік мәнге ие болады. Барлық осы параметрлер ферромагнетикті құрайтын кристаллиттердің мөлшеріне байланысты. 5.8 - сур. әртүрлі ферромагнетиктер үшін кристаллиттердің мөлшерінің мәндерін кең ауқымында өзгерту кезінде коэрцитивті күштің орташа өзгерісі көрсетілген. Ұсынылған тәуелділік айқын монотонды емес сипатқа ие. Кристаллит мөлшерінің 10 3 мкм-ден субмикрон аймағында орналасқан мәндерге дейін төмендеуімен, мәжбүрлеу күшінің жоғарылауы байқалады. Бұл өлшемді диапазонда d мәні домен қабырғаларының енінен (40 – 70нм) - магниттелу векторының бағыты өзгеретін домендер арасындағы бөлу шекарасынан асады. Материалдың магниттелуі домен қабырғаларының қозғалысымен байланысты болғандықтан, кристаллит өлшемдерінің азаюымен, қабырғалардың көлемді құрамының өсуіне және олардың қозғалысы кезінде энергия шығындарының артуына байланысты магниттеу қиынға соғады. Hc максималды мәні домен қабырғаларының қалыңдығына жақын d өлшемдеріне сәйкес келеді. Сур. 5.8. HC коэрцитивті күшінің d кристаллиттерінің мөлшеріне тәуелділігі D мәндері нанодиапазонның жоғарғы шекарасына жақындаған кезде және олардың одан әрі азаюымен ферромагнетиктің құрылымы көп доменнен бір доменге ауысады, HC төмендеуімен бірге жүреді. Бір домендік құрылым жағдайында кристалдардағы барлық атомдардың магниттік моменттері бірдей бағытталған және әр кристаллит жеке домен болып табылады. Дән мөлшерінің 1-10 нм – ге дейін төмендеуі материалдың суперпарамагнитті күйге өтуіне әкеледі, бұл дәннің көрсетілген мөлшерімен олар парамагнетикада жеке атомдар сияқты әрекет ете бастайды-атомдардың магниттік моменттері кездейсоқ бағытталған зат. Осылайша, көрсетілген мөлшердегі дәндерді жоғарыда сипатталған кванттық нүктелер сияқты үлкен квазиатомдардың бір түрі ретінде қарастыруға болады. Әдеттегі өкілдері Pt және Al болып табылатын қарапайым парамагнетиктер үшін > 1, > 0, яғни олар үшін заттың ішінде магнит өрісінің жоғарылауы байқалады, бірақ ол өте аз болып саналады. Суперпарамагниттер үшін гистерезистің өте тар ілмегімен магниттелуге қол жеткізіледі, бұл оларды энергияны жоғалтпай қайта магниттеуге мүмкіндік береді. Кең диапазондағы жұмыс параметрлерінің өзгеруіне байланысты наноқұрылымды магниттік материалдарды әртүрлі наноқұрылғыларды жасауда қолдануға болады. Магниттік наноқұрылымдардың көмегімен магнитке төзімділіктің практикалық маңызды әсері жүзеге асырылады. Магниттік төзімділік-бұл магнит өрісі әсер еткен кезде өткізгіштің кедергісінің өзгеру құбылысы. Бұл құбылыс өткізгіштегі бос электрондардың траекторияларының магнит өрісінің әсерінен қисықтыққа байланысты, нәтижесінде олардың бағытты ауытқуы қиынға соғады. Бөлме температурасында қарапайым металдарда магнит өрісінің әсерінен қарсылықтың салыстырмалы өзгерісі, әдетте, 3-5% аспайды. Үлкен магнитке төзімділік мұндай өзгерістің шамамен 100 есе үлкен мөлшерімен сипатталады. Бұл әсер ферромагнетиктің ауыспалы қабаттарынан және магниттік емес өткізгіштен тұратын қабатты наноқұрылымдарда жүзеге асырылады, олар үшін тербелістер мен кернеулердің мәні өте аз. Қарапайым жағдайда әсерді суретте көрсетілген үш қабатты ұяшықта жүзеге асыруға болады. 5.9, мұндағы қабаттар (1) және (3) ферромагниттік (Co), ал қабат (2) магниттік емес (Cu). Әр қабаттың қалыңдығы нанометрмен өлшенеді. Гигант магниторезистенттілігі электрондардың қабаттар арасындағы шекараларды кесіп өту ықтималдығының, оның айналу бағытын ферромагнетиктің магниттелу бағытына тәуелділігіне негізделген. Егер спиннің бағыты ферромагниттік қабаттың ішіндегі магнит өрісінің бағытына сәйкес келсе, онда электрон шекарадан оңай өтеді. Артқы жағына қарама- қарсы бағытта электрондар қабаттарының интерфейсінде шашыраңқы болады. Сондықтан, егер ферромагниттік қабаттар (1) және (3) бір бағытта магниттелсе (сурет. 5.9 а) артқы жағы осы бағытқа сәйкес келетін электрондар екі шекараны оңай жеңеді. Артқы жағы қарама - қарсы орналасқан электрондар екі шекарада да шашырайды. Егер ферромагниттік қабаттар (1) және (3) қарама-қарсы бағытта магниттелсе (сурет. 5.9 б), содан кейін әр электрон, оның артқы жағының бағытына қарамастан, қабаттар бөлімінің шекараларының бірінде таралады. Осылайша, қарама-қарсы бағытталған спиндері бар электрондар шығаратын токтар үшін суреттелген үш қабатты құрылымның электрлік кедергісі әртүрлі, оны төменгі жағында келтірілген эквивалентті тізбектер суреттейді. 5.9. Егер r≤R болса, онда (A) және (B) жағдайлары үшін эквивалентті тізбектердегі жалпы қарсылықтың айырмашылығы өте үлкен және ұяшықтың өткізгіш күйден құлыпталған күйге ауысуы туралы айтуға болады. Сондықтан кейде мұндай құрылымдар айналдыру клапаны (spin valve) деп аталады). Сур. 5.9. Үш қабатты наноқұрылымда үлкен магнитке төзімділіктің пайда болуы Әдетте, ұяшықты өткізгіш күйден өткізгішке ауыстыру және керісінше электромагниттің көмегімен ферромагниттік қабаттардың біріндегі магниттелу векторының бағытын өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Әсер көп қабатты құрылымдарда күшейеді, оны электрондар магниттік емес өткізгіш бойымен қозғалғанда да байқауға болады. Мұндай ұяшықтарды пайдалану спинтроника деп аталатын жаңа бағыттың негізі болып табылады. Зарядтарды тіркеуге негізделген дәстүрлі электроникадан айырмашылығы, спинтроника электронның спинімен және онымен байланысты электронның магниттік моментімен жұмыс істейді, олардың тек екі бағыты болуы мүмкін. Осы кванттық әсерге сүйене отырып, белгілі бір мағынада ферромагнитті элементтердегі қосқыштарға ұқсас, бірақ айтарлықтай жылдам әрекет ететін және энергияны аз тұтынатын әртүрлі қосқыштар мен логикалық ұяшықтарды құруға болады. Қазірдің өзінде сақтау құрылғылары мен ақпаратты жазу және оқу құрылғылары әзірленуде, олардың әрекеті электрондардың айналдыру күйін тіркеуге негізделген. Мұндай құрылғылардың артықшылығы энергияға тәуелсіз жазылған ақпаратты қуат көзі болмаған кезде сақтау мүмкіндігі. Сонымен қатар, магниттік жад ұяшықтары иондаушы сәулеленудің әсеріне сезімтал емес, бұл оларды ғарыштық аппараттардың электронды жабдықтарында қолдануға өте тартымды етеді. Мүмкін, мұндай құрылғыларды қолдану ғарыш аппараттарының жекелеген зарядталған бөлшектерінің әсерінен пайда болатын борттық компьютерлерінде ақаулардың пайда болу проблемасын шешуге мүмкіндік береді. Болашақта спинтрониканың функционалды элементтерін және басқа зарядталған бөлшектерді қолдану мүмкіндіктері қарастырылады. Көміртекті наноқұрылымдар Нанотехнологияның дамуы негізінен үш көміртекті наноқұрылымдарды: фуллерендерді, көміртекті нанотүтікшелерді және графенді ашуға, зерттеуге және практикалық қолдануға байланысты. Сондықтан, осы бөлімде біз олардың негізгі қасиеттерін қарастырамыз. Фуллерендер-60, 70, 76 (сәйкесінше C60, C70, C76) және одан да көп көміртек атомдарынан тұратын сфералық молекулалар. Ең көп зерттелген- фуллерен C60, ол 1985 жылы графитті мақсатты лазерлік булану тәжірибелерінде ашылған. Булану өнімдерін масс-спектрометриялық талдау олардың құрамында 720 атомға сәйкес келетін 60 массасы бар бөлшектер бар екенін көрсетті. Бір қызығы, фуллерендердің ашылуы жұлдыздар атмосферасында сызықтық көміртек молекулаларының түзілуін және ғарыштық кеңістіктегі жұлдыздардың жарық сіңірілуін зерттеуге бағытталған космофизикалық зерттеулермен байланысты болды, онда сіңіру спектрінде~5,6 эВ энергиясы бар фотондардың шыңы байқалады (сурет. 7.10), ~220 нм толқын ұзындығына сәйкес келеді. Соңғы әсер ғарыш кеңістігінде белгісіз көміртек бөлшектерінің болуымен байланысты болды. Байқалған құбылыстарды қатаң түрде қамтуға және зертханалық жағдайда фуллерен C60 молекулаларының эксперименттік қалпына келтірілуіне әкелді, олардың мәні теориялық тұрғыдан алдын - ала болжалды. Сур. 5.10. Ғарыштық ортадан өткен жұлдыздардың жарық спектрі C60 молекуласының беті-20 алтыбұрышты және 12 бесбұрышты беттерден тұратын көпбұрыш (сурет. 7.11). C 60 молекуласының диаметрі, жоғарыда айтылғандай, шамамен 0,7 нм, ал оның ішкі қуысының диаметрі шамамен 0,5 нм құрайды. Фуллерен C60 оның ішкі қуысында орналасуы мүмкін көптеген элементтердің атомдарын қосуға қабілетті. Бұл фуллереннің қасиеттеріне бағытталған әсер етуге мүмкіндік береді. Сонымен, оны сілтілі металдар атомдарымен легирлеу кезінде ол өте жоғары электр өткізгіштікке ие болады. C60 молекулаларын легирлеу арқылы оларға селективті сорбциялық қасиеттер де берілуі мүмкін, бұл, мысалы, ғарыш аппараттарының энергетикалық қондырғыларының отын элементтері үшін ықшам сутегі қоймаларын жасау кезінде фуллерендерді қолдануға мүмкіндік береді, бұл туралы төменде толығырақ айтылады. Сур. 5.11. Фуллерен C60 (a) молекуласының құрылымы және сканерлейтін туннель микроскопымен алынған субстраттағы C60 молекуласының бейнесі (б) Сур. 5.12. Фуллереннің молекулалық кристалы Белгілі бір жағдайларда фуллерендерден молекулалық кристалдар пайда болуы мүмкін (сурет. 5.12) - материалдардың жаңа класы болып табылатын фуллериттер. Фуллериттердің графит пен алмазға қарағанда тығыздығы төмен (1,7 г×см -3) (2,3 г×см-3 және 3,5 г×см -3), бірақ олардың қаттылығы алмаздың қаттылығымен салыстырылады. Фуллериттер, фуллерендер сияқты, әртүрлі элементтермен оңай допингке түседі, бұл олардың электрлік қасиеттерін кеңінен өзгертуге мүмкіндік береді. Кәдімгі фуллерит кристалы-тыйым салынған аймақтың ені 1,5 эВ болатын жартылай өткізгіш. Сілтілік металдармен допинг фуллериттің өткізгіштігін бірнеше рет арттырады. Осылайша, тіпті C60 өткізгіш кристалды қабықшаларын алуға болады, олар үшін өткізгіштік әсері шамамен 10 К температурада байқалды, 40 к. фуллериттерді қолданудың негізгі бағыттары фуллерендерді қолдану бағыттарына ұқсас. Өндірістің кеңеюіне және екі материалдың да құнының төмендеуіне байланысты оларды қолдану аясы кеңейеді деп күту керек.
Сур. 5.13. Сканерлеуші туннель микроскопының (а) көмегімен алынған КНТ кескіні және КНТ (б) шеткі учаскелерінің схемасы Көміртекті нанотүтікшесі (КНТ) іс жүзінде диаметрі 1-5 нм цилиндрге графит деп аталатын моноатомды қабаты болып табылады. 5.13а - сур. сканерлейтін туннель микроскопының көмегімен алынған КНТ бүйір бетінің фрагментінің бейнесі суретте көрсетілген. 7.13 б -фуллереннің жартысына ұқсас, жартылай күміс қақпақтармен жабылған түтіктің соңғы бөліктерінің схемалық бейнесі. КНТ алғаш рет 1991 жылы олардың арасында тұтанған электр доғасының графит электродтарының жоғары температуралық ыдырауы кезінде табылды. Содан кейін КНТ түзілуі графиттің лазерлік булану тәжірибелерінде байқалды, мысалы, фуллерендер ашылды, ал фуллерендер өз кезегінде электрод әдісімен алынды. Бір қабатты КНТ-тан басқа, көп қабатты түтіктер бар, олар бір-біріне салынған бірнеше бір қабатты нанотүтікшелерден тұрады. Көп қабатты КНТ- ның диаметрі 20-25 нм-ге жетеді, ал қабаттар арасындағы қашықтық 0,34 нм- ге тең, бұл графиттегі көміртек атомдары арасындағы қашықтыққа сәйкес келеді. Электр доғалық әдіспен және графиттің лазерлік булануымен алынған КНТ ұзындығы әдетте 10-100 мкм аспайды. Көмірсутектер буынан химиялық тұндыру арқылы КНТ алудың кеш дамыған әдістері, едәуір ұзын КНТ – 2-3 см-ге дейін алуға мүмкіндік береді. Сур. 5.14. КНТ (А) қалыптастыру схемасы және КНТ зигзаг (б) және креслоны (в) құрылымдарының мысалдары 7.14 - сур. графен парағы схемалық түрде бейнеленген, оны нанотүтікке орауға болады. Егер сіз түтіктерді әртүрлі бағыттарға қатысты бүктесеңіз, онда сіз түбегейлі ерекшеленетін құрылымы бар және нәтижесінде әртүрлі физикалық қасиеттері бар КНТ алуға болады. Графен парағының домалану бағытын С векторы анықтайды, ол а1 және а2 жергілікті векторлары негізінде оның координаталары болатын бүтін сандар жиынтығымен (n, m) сипатталады, яғни С = na1 + ma2, суретте көрсетілгендей. 7.14a. Бұл суретте әр түрлі жиындармен сипатталатын үш С векторы көрсетілген (n, m). КНТ осі парақтың бүктелу бағытына, яғни С векторына перпендикуляр, ал КНТ диаметрі, көрсету оңай болғандықтан, мына формуламен анықталады: мұндағы a = 0,142 нм – алтыбұрышты жасушадағы атомдар арасындағы қашықтық. Сандар жиынтығы (n, m) хирургия деп аталатын КНТ-ның маңызды сипаттамасын анықтайды. Оны C және a1 векторлары арасындағы бұрыш ретінде анықталған интегралдың бұрышы арқылы да сипаттауға болады (суретті қараңыз. 5.14 а): Хиральдылық бұрышы 0 -ден 30°-ға дейін өзгереді, және оның шекті мәндері нанотүтіктердің екі арнайы конфигурациясына сәйкес келеді, олар үшін 7.14 а суретте СZ және С A векторлары көрсетілген. Бірінші жағдайда СZ = na1, ал алынған түтік сандармен сипатталады (n, 0). Мұндай түтіктер әдетте зигзаг деп аталады, оларда түтіктің осі тордың алтыбұрыштарындағы C–C байланысының жұптарының біріне параллель бағытталған (сурет. 5.14 б). Екінші жағдайда С A = n(a1 + a2), және КНТ осі С-С жұбына перпендикуляр болады. Мұндай түтіктер кресельды деп аталады (armchair, сурет. 7.14 в). Әр түрлі сандар комбинациясымен (n, m) сипатталған КНТ мысалдары суретте келтірілген. 5.15. Мұнда екі экстремалды унция суретте келтірілген құрылымдарға сәйкес келеді. 5.14 б және 5.14 в, олар сәйкесінше (n, 0) және (n, m = n) сандар жиынтығымен сипатталады. Аралық КНТ хираль деп аталады, олар суреттен көрінеді. 5.15, түтіктің осі айналасындағы алтыбұрышты жасушалардың бұралу дәрежесімен сипатталады. КНТ электрлік және магниттік қасиеттері байланысты, бірақ бұл параметрдің нанотүтікшелердің механикалық қасиеттеріне әсері анықталған жоқ. Нанотүтікшелер өте жақсы механикалық сипаттамаларға ие, әр түрлі бағалаулар бойынша бір қабатты КНТ-ның беріктігі 50-ден 150 ГПа-ға дейін, бұл болаттың беріктігінен он есе жоғары. КНТ тығыздығы өте төмен болғандықтан (1,3–1,4 г×см -3), нанотүтікшелерден жасалған материалдың меншікті беріктігі рекордтық мәндерге жетеді. Жойылғанға дейін КНТ-нің салыстырмалы ұзаруы 10-15% құрайды, яғни олар өте жоғары икемділікке ие. Сур. 5.15. Түрлі УНТ құрылымы КНТ-ның жоғары механикалық параметрлері екі негізгі факторға байланысты. Біріншіден, нанотүтікшелерде механикалық қасиеттердің нашарлауына әкелетін ақаулардың концентрациясы дәстүрлі материалдармен салыстырғанда едәуір төмен, екіншіден, КНТ жүктеме кезінде, атап айтқанда иілу кезінде көміртекті байланыстарды қайта құру қабілетіне ие. Соңғы әсерге байланысты КНТ қабырғаларының алтыбұрышты жасушалары бесбұрышқа немесе алтыбұрышқа айналуы мүмкін, бұл тек механикалық ғана емес, сонымен қатар КНТ-ның электрлік қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі. КНТ өткізгіштігі хирургия бұрышына байланысты. Осыған байланысты нанотүтікшелер металл немесе жартылай өткізгіш қасиеттерін көрсете алады. Әдетте металл өткізгіштіктің өлшемі индекстер арасындағы келесі қатынас болып табылады: мұндағы q - ерікті бүтін сан. Осы арақатынастан, әдетте алынған қоспада, оларды өндіру кезінде түтіктердің үштен бір бөлігі металл қасиеттерге ие, ал екеуі үшінші өткізгіш болып табылады. Кресельды КНТ таза металл қасиеттерге ие деп саналады, ал қалғандары жоғарыда келтірілген арақатынасты қанағаттандырады. Соңғылардың электронды күйлері бір кең үздіксіз энергетикалық өткізгіштік аймағын құрмайды, бірақ жеке субзондарға бөлінеді. Жартылай өткізгіш КНТ-ның тыйым салынған аймағының ені түтіктің диаметріне кері пропорционал екендігі теориялық тұрғыдан дәлелденді, сондықтан диаметрдің өзгеруі КНТ өткізгіштігінің төмендеуіне немесе жоғарылауына әкелуі мүмкін. Көп қабатты КНТ, әдетте, жартылай өткізгіш нанотүтіктерден тұрса да, металл және жартылай металл қасиеттерін көрсетеді. Мұның себебі-валенттілік аймағы мен өткізгіштік аймағы арасындағы энергия алшақтығының айтарлықтай төмендеуіне әкелетін түтіктер арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің әсері. Өткізгіштіктің металл түрі бар нанотүтікшелер тығыздығы 10 9 А·см-2- ға дейін ток өткізе алады, 2-тармаққа қарасаңыз, бұл дәстүрлі металл өткізгіштермен салыстырғанда шамамен 1000 есе көп. Себебі, олардың ұзындығы өте үлкен емес, олар баллистикалық өткізгіштер болып табылады. КНТ-ны сынапқа ішінара батыру арқылы жүргізілген тікелей өлшеулер КНТ- ның ұзындығы 10 мкм-ге дейін болғанда, олардың кедергісі ұзындығына тәуелді емес және 12,9 кОм жақын, яғни жоғарыда қарастырылған қарсылық квантына жақын екенін көрсетті. Нанотүтіктердің кішкентай диаметрі мен ерекше электрлік және механикалық сипаттамаларына байланысты олардың негізінде жоғары тиімді автоэмиссиялық катодтар жасауға болады. Салыстырмалы түрде төмен қолданылатын потенциалдар болса да, КНТ ұшындағы электр өрісінің күші автоэлектрондық эмиссияның пайда болуы үшін жеткілікті болады. КНТ негізіндегі автоэмиссиялық (суық) катодтар суперминиатуралық рентген түтіктерін және басқа да құрылғыларды жасау үшін қолданылады. Мұндай жұмыстар, атап айтқанда, ММУ ҒЗИЯФ-да жүргізілуде. Жартылай өткізгіш КНТ-ның тыйым салынған аймағының ені сыртқы магнит өрісінің әсерінен айтарлықтай өзгеруі мүмкін, бұл КНТ-ның өткізгіштігінің өзгеруіне әкеледі. Белгілі бір магнит өрісін қолдану және алып тастау арқылы КНТ өткізгіштігін металдан жартылай өткізгіштікке өзгертуге болады. Ұқсас әсер сонымен қатар, КНТ-ға өріс эффект транзисторларын құру кезінде қолданылатын көлденең электр өрісінің әсерінен болады. Графит пен алмаз сияқты, КНТ жоғары жылу сыйымдылығы мен жылу өткізгіштікке ие. Сонымен қатар, олар жылуды тек түтіктің осі бойымен өткізеді, бұл электрондардың әсерінен баллистикалық жылу өткізгіштікке байланысты. Жылу өткізгіштік коэффициентінің эксперименталды өлшенген мәні шамамен 3·10 3 Вт·м-1·К-1 құрайды. Кейбір бағалаулар бойынша, КНТ вакуумда 2800°C дейін және ауада 750°C дейін температураны бұзбай төтеп бере алады. КНТ-ның жоғары меншікті (массаға қатысты) беткі ауданы және электрондық құрылысының ерекшеліктері олардың химиялық әсерлерге жоғары сезімталдығын анықтайды. КНТ-ның үлкен ішкі көлемі оларды фуллерендерді талқылау кезінде айтылған сутегі қоймаларын құру үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Фуллерендер мен КНТ ашылғаннан кейін көміртектің аллотропты формаларын наноөлшемділік тұрғысынан жіктеу келесі түрге ие болды: 3D-алмаз, графит, карбин; 1D-КНТ; 0D-фуллерендер. Бұл жіктеуді қарастырған кезде, әрине, көміртекті 2D нысандарының болуы мүмкін деген сұрақ туындайды. Ұзақ уақыт бойы екі өлшемді кристалдар термодинамикалық тұрақсыз деп есептелді, бұл тезис теориялық тұрғыдан дәлелденді және эксперименталды түрде бірнеше рет расталды. Сондықтан графиттің жеке қабаттарының құрылымдық ерекшеліктері мұқият талданып, тұжырымдар фуллерендер мен КНТ-ны зерттеуде қолданылғанына қарамастан, графиттің моно қабаттары кристалдан бөлек өмір сүре алмайды деп сенді. Бұл ұстаным тек 2004 жылы эксперименталды түрде жоққа шығарылды, сол кезде орыс және ағылшын ғалымдарының күшімен графит қабаттарын микромеханикалық жару арқылы көміртек атомдарының оқшауланған монослосы түрінде графен алынды. Осыдан кейін графеннің қасиеттерін қарқынды зерттеу басталды.
Сур. 5.16. Туннельді микроскоптың көмегімен алынған графен парағының құрылымы (а) және кескіні (б) Графен (graphene), жоғарыда айтылғандай, графиттің оқшауланған моноатомды қабаты, яғни алтыбұрышты екі өлшемді кристалды тордың түйіндерінде орналасқан көміртек атомдарының қабаты (сурет. 7.16). Белгілі бір дәрежеде графенді басқа көміртек формаларын құру үшін бастапқы материал ретінде қарастыруға болады. Бұрмаланған алтыбұрыштары бар парақтың фрагментінен сіз фуллерен молекуласын құра аласыз, цилиндрге оралған графен парағы нанотүтікшені құрайды, ал графит бүктелген парақтардан алынады. Алайда, мұндай қарапайым модельдер тек иллюстрациялық ретінде қарастырылуы керек. Атап айтқанда, фуллерен молекуласы жеке көміртек атомдарынан тұратындығы эксперименталды түрде көрсетілген. Графеннің қасиеттері көптеген жағынан ерекше. Сонымен, 2008 жылдың ортасында өндірілген графеннің созылу беріктігін эксперименттік өлшеу негізінде (сурет. 7.17) ол осы параметр бойынша неғұрлым берік материалдарға жатқызылды. Графеннің бөлме температурасында өте жоғары жылу өткізгіштік коэффициенті бар - шамамен 5·103 Вт·м-1·К-1, бұл мысқа қарағанда 15 есе жоғары және КНТ үшін ұқсас көрсеткіштен 1,5 есе жоғары. Сур. 5.17. Графеннің беріктігін өлшеу эксперименті Графеннің электрлік қасиеттері оның электронды құрылымының ерекшеліктерімен анықталады. Олардың арқасында графендегі заряд тасымалдаушылардың қозғалысын сыртқы электр өрісі арқылы басқару қиын, бұл графен негізіндегі транзисторды құруда қиындықтар туғызады. Оларды жеңу үшін графен наноленттерін (nanoribbons) қолдану ұсынылады – графеннің тар жолақтары, онда тасымалдаушылар жолақтардың бойлық осіне перпендикуляр бағытта қозғалады, кванттық шектеулер қойылады. Компьютерлік модельдеу көрсеткендей, зигзаг немесе кресельды құрылымы бар ленталарды кесу арқылы олардың өткізгіштігін өзгертуге болады, яғни жоғарыда қарастырылғанға ұқсас металл немесе жартылай өткізгіш өткізгіштері бар таспаларды алыңыз. Жартылай өткізгіш графен наноленталары үшін энергетикалық саңылау енінің таспаның көлденең өлшеміне кері тәуелділігі эксперименталды түрде расталды. Қазіргі уақытта кейбір зерттеушілер графен наноленттерін наноэлектроника үшін жартылай өткізгіш материал ретінде кремнийдің ең перспективалы алмастырушысы деп санайды. Мұндай наноленттерді жаңа материалдарды жасау кезінде қоспалар ретінде КНТ және фуллерендермен бірге қолдануға болады. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|