Budoucnost patří uhlíkatým
nanomateriálům
Otakar Frank
Oddělení elektrochemických materiálů
Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, v.v.i.
Akademie věd ČR
[email protected]
www.nanocarbon.cz
Nanoúvod
„There's Plenty of Room at the Bottom“ - Richard P. Feynman
Nanoúvod
Lykurgovy poháry – využití nanotechnologie ve 4. století n.l.
70 nm částice slitiny Au-Ag ve skle –> v odraženém světle má sklo
zelenou barvu, v průchozím odstíny červené
Nanoúvod
Co je/jsou nanotechnolgie?
1) manipulace s látkami na atomové/molekulární úrovni
2) manipulace s látkami, jejichž alespoň jeden rozměr je menší
než 100nm (přibližně)
3) správně by se horní hranice nanorozměru měla odvozovat od
změny chování materiálu, který díky zejména kvantovým jevům
získává vlastnosti odlišné od mikro-, makro4) shrnující pojem - zasahují do fyziky, chemie, biologie,
materiálových věd...
C
diamant
makro
grafit
chaoite (carbyn)
?
hybridizace sp3
hybridizace sp2
hybridizace sp1
C – sp2
sp2 modifikace
3D
grafit
2D
1D
graphene
nanotuby
0D
fullereny
pouze teoreticky až do
2004
známy od 1950‘
oficiálně Ijima 2001
Kroto et al 1985
nano C
C60 fullerene
(buckminsterfullerene)
fullereny
Fullerene: Nobel Prize Kroto, Smalley, Curl (1996)
nano C
fullereny
C2n, n>9 kromě 11
endohedrální: [email protected]
X … He, N2, lanthanoidy atd.
mohou být i non-IPR, a přesto stabilní
na podobném principu nosiče léčiv
nano C
grafen
grafen
grafenové nanopásky
(nanoribbons, GNR)
nano C
nanotrubičky
nanotubu je možné si představit jako sbalený list grafenu
(pozor, takto NT nevzniká!)
nano C
nanotrubičky
„nanorohy“
průměr od 0.5 nm
různé chirality
polovodivé / kovové
dvojstěnné
svazky („bundles“)
mnohostěnné
nano C
molekuly fullerenů uzavřené v
nanotubě
stejně tak možno jiné molekuly
(PAH, karotenoidy...)
„peapody“
grafen
historie
grafen




historie
1930’ – 2D materiály byly považovány za termodynamicky
nestabilní a předpokládalo se, že proto nemohou existovat
(Peierls 1935, Landau 1937)
1950-1960 - přestože byl grafen studován teoreticky jako
základní jednotka různých uhlíkatých materiálů, stále zůstával
pouze akademickým předmětem zájmu
1980-1990 - první pokusy o izolaci grafenu – chemickou
exfoliací pomocí interkalace a následným záhříváním za
vysokého tlaku - byly špatně kontrolovatelné, suspenze byly směsy různých
grafitických částic, interkalovaných atomů atd.
1990-2000 - první pokusy o přímou syntézu vedly také k
mnoha vrstvám
grafen
historie
+
=
Geim & Novoselov, Manchester Uni
grafen
je vidět?
Si/SiO2(300nm)
grafen
Si/SiO2(300nm)
PMMA/SU8(200nm)
je vidět?
grafen


každá vrstva grafenu pohltí přesně 2.3%
dopadajícího světla
grafen je možné pozorovat pouhým okem
na vhodné podložce
je vidět?
grafen
• umožnuje přípravu velkých
množství
• levná
• celkem jednoduchá
• může být adaptována pro
průmysl
chemická metoda +/-
• vznik defektů, funkcionalizace
• pouze malé vrstvy
• agregace
• kontaminace mnohovrstevným
grafitem
grafen
příprava - syntéza

katalytická depozice chemických par

zdrojem uhlíku metan nebo jiný jednoduchý uhlovodík

grafen vzniká na kovové podložce v peci (měď, nikl, platina apod.)
grafen
CVD @ Ni
• uhlík se nejdříve rozpustí v niklu
• při ochlazování se na povrchu vytváří
vrstvy (věšinou 1-3)
• obtížně kontrolovatelné
grafen
• na rozdíl od niklu, uhlík je v mědi málo
rozpustný
• grafen vzniká přímo na povrchu při
teplotě okolo 950-1000°C
• když „dojde“ povrch, růst se zastaví
CVD @ Cu
grafen
přenos
graphene
Cu
PMMA
graphene
Cu
PMMA
graphene
PMMA
graphene
SiO2
Si
PMMA
spincoating
Cu
etching
PMMA dissolution
(acetone / hT)
transfer to
desired substrate
PMMA dissolution
(acetone / hT)
graphene
SiO2
Si
grafen
přenos
grafen
30“
grafen
„bottom-up“
chemická cesta (K. Müllen, MPI Mainz)
GNR
příprava
litografie elektronovým svazkem (E-beam)
rozbalení nanotrubičky
nanovrásy
nanodrátky (Si) jako masky pro odleptání
nanotrubičky
příprava
laserová ablace
elektrický oblouk
CVD
identifikace / charakterizace
identifikace / charakterizace
identifikace / charakterizace
Atomic Force Microscopy – AFM
(mikroskopie atomárních sil)
identifikace / charakterizace
Scanning Tunneling Microscopy – STM
identifikace / charakterizace
Scanning Electron Microscopy – SEM
identifikace / charakterizace
Transmission Electron Microscopy – TEM
grafen
vlastnosti
• elektronické:
•
•
•
balistický transport na vzdálenosti stovek mikrometrů i při pokojových
podmínkách
vysoká mobilita nosičů náboje (x0 000 cm2/Vs at RT)
odolnost vůči procházejícímu proudu (~109 A/cm2)
• mechanické - nejpevnější existující materiál
•
Youngův modul ~1TPa, pevnost 130 GPa
• nejvyšší tepelná vodivost: 5000 W/mK
• umožnuje studium kvantově elektrodynamických jevů v běžných
laboratorních podmínkách
grafen
grafen
modul pružnosti
grafen
pevnost
grafen
grafen
vlastnosti
Jediná vrstva grafenu unese například
kočku (okolo 4 kg)
Na protržení filmu z grafenu o tloušťce
potravinové folie by bylo zapotřebí slona
balancujícího na tužce
grafen
tepelná vodivost
grafen
tepelná vodivost
nanotrubičky (a GNR)
vlastnosti
chirální vektor Ch = na1 + ma2
a1 , a2 …. jednotkové vektory hexagonální struktury
definice nanotuby (n,m)
„židličková“ (n=m) – chová se vždy jako kov
„cik-cak“
obecně
pokud n-m je dělitelné 3  kov
n-m není dělitelné 3  polovodič
„chirální“ – vše ostatní
nanotrubičky (a GNR)
vlastnosti
židličková (1 0, 1 0)
(0,0)
a1
a2
y
x
Ch = (10,10)
nanotrubičky (a GNR)
vlastnosti
cik- cak (1 0, 0)
(0,0)
a1
a2
Ch = (10,0)
y
x
nanotrubičky (a GNR)
vlastnosti
chirální (1 0, 5)
(0,0)
Ch = (10,5)
a1
a2
y
x
nanotrubičky (a GNR)
cik-cak
(polovodivé)
vlastnosti
židličkové
(kovové)
density of states (DOS)
unikátní vlastnosti vyplývající
z 1-D struktury
→van Hove singularities
(vHS)
 nejen, že se odlišují kovové
od polovodivých, ale každá
(n,m) má jiné vlastnosti !
nanotrubičky
Separace každá chiralita má jinou barvu
aplikace
nanotrubičky
aplikace
Separace typů (polovodivé vs. kovové) i jednotlivých chiralit
transistory
spoje
Infineon, IBM ...
vlákna
aplikace - kompozity
nanotrubičky
aplikace - kompozity
Nejen studie a prototypy
...ale již i existující
výrobky
nanotrubičky
„vesmírný výtah“
vlastnosti - aplikace
35 000 km
grafen
aplikace
pevnost + vodivost + průhlednost
 ohebné displeje
 solární články
Samsung ...
grafen
aplikace
velká plocha povrchu + vodivost
(elektrická i tepelná)
 tzv. superkondenzátory
(uložená energie na jednotku
hmotnosti blízko k bateriím, ale
výrazně rychlejší dostupnost)
Maxwell...
grafen
aplikace
tištěná elektronika
(Vorbeck Materials, Angstron
Materials + XG Sciences)
sekvenace DNA
grafen
terahertzová detekce
(Cambridge)
aplikace
grafen
aplikace
nanoelektronika
nutno nejdříve otevřít zakázaný pás
prototypy dosahují bez problémů
větších rychlostí než křemíkové FET
grafen
aplikace
sensory
změna procházejícího proudu při
sorpci molekuly plynu (využití
vodivosti a velkého povrchu)
Ko et al. 2010
projekt TA ČR: TESLA Blatná +
ÚFCh JH + ZČU + Centrum
organické chemie
neuhlíkové 2D materiály
MoS2 (Kis et al.)
polovodič  transistory
BN
izolant (vhodný např. pro
grafenové FET)
nanotrubičky
nano-robot: DWCNT + rotor
Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
nanotrubičky
nano-robot: DWCNT + rotor
SEM image
Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
sci-fi ?
Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
grafen
identifikace / charakterizace
Ramanova mikrospektroskopie
počet vrstev
kvalita (defekty atp.)
mechanické napětí
nabíjení
grafen na ÚFCh
mechanika
ν – Poisson’s ratio
Ramanova spektroskopie, AFM – míra
deformace, jevy při kompresi, ovlivnění
elektronové struktury atd.
grafen na ÚFCh
nanovrásy AFM
mechanika
grafen na ÚFCh
příprava CVD – zkoumání růstu grafenu a jeho
vlastností pomocí izotopového značení
vznik
grafen na ÚFCh
nanoelektronika
„sandwichové“ struktury
např. pro nový koncept transistorů (BISFET,
představeny IBM 2009)
Download

Budoucnost patří uhlíkatým nanomateriálům [pdf]