Все о нанотрубках

  

    

а                                                                      б 

Рис. 9-6. а) - траектория движения иглы сканирующего зондового  микроскопа при сканировании нанотрубки, лежащей на основании; б) - вид сечения изображения нанотрубки в сканирующем зондовом микроскопе 

  

При неупорядоченном  расположении нанотрубок на основании с заданной плотностью, измерив профиль изображения нанотрубок под различными углами к направлению сканирования, возможно восстановить трехмерное изображение острия иглы кантилевера с использованием математических расчетов.  

После получения  изображения нанотрубок на подложке, если необходимо, вычтите первую плоскость из полученного изображения (Plane Delete) и удалите ступени (Step Delete) (рис. 9-7). 
 
 

  

Рис. 9-7. Изображение  нанотрубок на поверхности оксида кремния 

Сделайте сечение  нанотрубки в направлении перпендикулярном ее оси (меню Edit→Cut Section) (рис. 9-7, линии 1 и 2). Проведите анализ сечения изображения (Tools→Analisis). Первоначально, измерите высоту нанотрубки d. Далее, измерьте ширину изображения нанотрубки w на ее полувысоте (рис. 9-8). По полученным данным можно вычислить радиус острия зонда R. 

  
 
 

а                                                                                  б 

Рис. 9-8. Примеры измерений  высоты и ширины изображения нанотрубки: а) – сечение 1; б) – сечение 2 

  

4.    Методические  указания 

  

Прежде чем приступить к работе на сканирующем зондовом микроскопе NanoEducator следует изучить руководство пользования для прибора. 

  

  

5.    Техника  безопасности 

  

Прибор управляется  напряжением 220В. Эксплуатацию сканирующего зондового 

микроскопа NanoEducator производить в соответствии с ПТЭ и ПТБ электроустановок 

потребителей напряжением  до 220 В. 

  

6.     Задание 

  

Часть1. Получение  топографии поверхности участка  с нанотрубками исследуемого образца. 

  

1.1.  Установите  на держатель образца исследуемый  образец – тестовую решетку   с углеродными нанотрубками. 

1.2.  Установите  зондовый датчик в гнездо измерительной  головки прибора NanoEducator. Лишь слегка затяните прижимающий винт.  

1.3.  Запустите  управляющую программу прибора  NanoEducator. Выберите режим сканирующего силового микроскопа (ССМ). 

1.4.  Произведите  настройку датчика на резонанс. Рекомендуется устанавливать величину  амплитуды, задаваемой генератором  в диапазоне 20-50 mV. Установите амплитуду колебаний зонда на величину 5 В подбором коэффициента AM Gain. Если на графике есть несколько пиков, попытайтесь уменьшить амплитуду дополнительных пиков, подбирая степень прижатия датчика винтом фиксации. 

1.5.  Осуществите  сближение зонда с образцом  с помощью винта ручного подвода  до расстояния примерно 1 мм. 

1.6.  Войдите в  меню «Landing». Увеличьте в окне «Options» значение «Integrator delay» (время, необходимое для вытягивания сканера на полный диапазон при включении следящей системы) до 1000 мс, что позволит осторожно осуществлять сближение. Установите значение «Amplitude Suppresion» равным приблизительно 0,2-0,3. 

1.7.  Осуществите  сближение, нажав кнопку «Start». После захвата взаимодействия (появится надпись OK) уменьшите величину взаимодействия до значения 0,1. Убедитесь, что величина Z не уменьшается. 

1.8.  Откройте окно  сканирования, нажав в меню кнопку  «Scan». Задайте необходимые параметры сканирования. Для тестового образца с нанотрубками скорость сканирования рекомендуется установить около 3000 nm/s, шаг сканирования – меньше, чем ожидаемая величина радиуса закругления острия зонда (<100 nm) для кадра размером 5*5 мкм. 

1.9.  Осуществите  измерение топографии поверхности  исследуемого образца. Сохраните  полученные результаты. 

1.10.        После окончания эксперимента  закройте окно сканирования и  осуществите отвод зонда от  образца. 

  

            Часть 2. Вычисление радиуса закругления  острия зонда по изображению  нанотрубки. 

  

2.1. Загрузите полученное  изображение нанотрубок. 

2.2. Возьмите сечение  перпендикулярное оси изображения  нанотрубки (Cut Section). 

2.3. В окне сечения  измерьте высоту изображения  нанотрубки d и ширину на полувысоте w изображения. 

2.4. Оцените эффективный  радиус закругления зонда R по следующей формуле: 

  

R = 0.25d-1·(w2-d2) 

  

  

7.    Контрольные  вопросы  

  

1.      Углеродные  нанотрубки как новая аллотропная форма углерода. Расскажите об основных свойствах углеродных нанотрубок. 

2.      Расскажите  об особенностях сканирования  слабо закрепленных объектов  на поверхности. 

3.      Назовите  особенности изображения низкоразмерных структур в сканирующем силовом микроскопе. 

  

8.     Литература 

  

1.      Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера. 2005. 148 с. 

2.      Kroto H.W., Heath J.R., O’Brein S.C., Curl R.F., Smalley R.I. С60: Buckminsterfullerene // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162-163. 

3.      Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. Vol. 354. P. 56-58. 

4.      Косаковская З.Я, Чернозатонский Л.А., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Том. 56. Вып. 1. С.26-30. 

5.      Харрис  П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера. 2003. 336 с. 

6.      Carbon nanotubes: synthesis, structure, properties and applications (Topics in applied physics). Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Avouris Ph. (eds.) // Springer-Verlag: Berlin. 2001. 448 p. 

7.      Volodin A., Ahlskog M., Seynaeve E., Van Haesendonck C., Fonseca A., and Nady J.B. Imaging the elastical properties of coiled carbon nanotubes with atomic force microscopy // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84. N. 15. P. 3342-3345. 

8.      Dai H., Hafner J.H., Rinzler A.G., Colbert D.T., Smalley R.E. Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy // Nature. 1996. Vol. 384. N. 6605. P. 147-150. 

9.      Haesendonck C. V., Stockman L.,. Vullers R.J.M. et al. Nanowire bonding with the scanning tunneling microscope // Surface Science. 1997.V. 386. P. 279–289. 

10.  Hertel T., Walkup R.E., Avouris Ph. Deformation of carbon nanotubes by surface van-der-Waals forces. Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58. N. 20. P.13870-13874. 

  

доктор технических  наук Золотухин И. В.

доктор физико-математических наук Калинин Ю. Е.

Замечательные качества углеродных нанотрубок 

В последние годы в физике конденсированного состояния  всё более популярными становятся объекты нанометрового масштаба. Это нанокристаллические ферромагнитные сплавы [1], фуллерены [2], углеродные нанотрубки [3], нанокомпозиты [4], тонкоплёночные многослойные наноструктуры [5] и т. д. Подобные системы интересны сочетанием ряда параметров, недостижимых для традиционных моно- и поликристаллических структур; не менее важно, что в них начинают работать новые физические явления. Было установлено: уменьшение размера кристалликов в материале (в первую очередь в металлах) может приводить к существенному изменению их свойств. Изменения наблюдаются, когда средний размер кристаллических зёрен не превышает 100 нм, и наиболее заметны при размере зерен менее 10 нм (1 нм = 10 –9 м ). Сформированные из таких частиц или кластеров наноструктурированные твёрдые тела привлекательны как для изучения фундаментальных свойств, так и для использования в новых технологиях, например, при разработке информационных сред с большой плотностью записи. Всё это позволяет говорить о рождении новой отрасли — нанотехнологии [6].

Трубки, свитки, матрёшки… 

Особое место среди  наноструктурированных твёрдых тел занимают углеродные нанотрубки, открытые совсем недавно. В 1991 г. японский исследователь С. Иджима, рассматривая в электронном микроскопе сажу, полученную в результате распыления графита в плазме электрической дуги, обнаружил тонкие протяжённые нити — цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Они состояли из одного или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых слоёв, торцы которых закрывались полусферической головкой. Получив название углеродные нанотрубки, эти объекты с тех пор находятся в фокусе внимания мировой научной и инженерной общественности благодаря целому ряду необычных физических свойств. К числу последних относится, прежде всего, удивительная прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации, позволяющая получать сверхпрочные композиционные материалы. Совсем необычны электронные свойства. С одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью, превышающей таковую для признанных проводников (Cu, Ag), с другой стороны, большинство трубок — это полупроводники с шириной запрещённой зоны от 0.1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспектива разработать запоминающие устройства с плотностью записи до 10 14 бит/см 2. Одно из самых замечательных свойств — связь между геометрической структурой нанотрубки и её электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантово-химических расчётов [7]. Угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки определяет, какой проводимостью она будет обладать: металлической или полупроводниковой. В последнем случае ширина запрещённой зоны задаётся геометрическими параметрами — хиральностью (углом скручивания) и диаметром нанотрубки. Налицо возможность создания новых электронных приборов с рекордно малыми размерами.  

Ещё одно достоинство  нанотрубок связано с холодной эмиссией электронов, которая возникает при приложении вдоль оси трубки электрического поля. Напряжённость поля в окрестности верхней части в сотни раз превышает ту, что существует в объёме. Это приводит к аномально высоким значениям тока эмиссии при сравнительно низком внешнем напряжении и позволяет использовать нанотрубные макроскопические системы в качестве холодных эмиссионных катодов. 

Рис. 1.  Схематическое  представление графитовой плоскости, иллюстрирующее решёточные векторы  и вектор свёртывания С. Предельные нехиральные случаи: зигзаг (n, 0) и ковшик с ручкой (n, n) показаны пунктирными линиями. Вектор трансляции Т, направленный вдоль оси нанотрубки, определяет одномерную единичную ячейку. Площадь, закрашенная цветом, представляет собой элементарную ячейку, образуемую Т и С. Диаграмма построена для (n, m) = (4, 2). 

Не менее важно, что нанотрубки имеют аномально высокую удельную поверхность, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое. Кроме того, расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (≈0.34 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы Н2 ) могли располагаться в межстенном пространстве. Данное пространство (в совокупности с внутренними каналами и даже внешней поверхностью) образует уникальную ёмкость для хранения газообразных, жидких и даже твёрдых веществ. (При физической адсорбции вещества на внутренней и внешней поверхности трубки плотность нового слоя может быть близка к плотности вещества в конденсированном состоянии.) Таким образом, с одной стороны, трубки рассматриваются как ёмкость, в которой можно хранить вещества, не пользуясь привычными нам сосудами с толстыми стенками или оболочками для хранения агрессивных сред. С другой стороны, внедрённые элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе [7]. 

Как уже понял  читатель, углеродные нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Нанотрубки первого типа могут быть получены в виде одномерной структуры в результате свёртывания графитовой поверхности в трубку (рис. 1) [8]. Диаметр трубки и угол свёртывания (или шаг свёртывания) обычно характеризуются вектором свёртывания С = n а1 + m а2 ≡ (n, m), кристаллографическим аналогом элементарной ячейки для двумерного графитового листа, из которого выкраивается единичный повторяющийся кусочек нанотрубки. Здесь а 1 и а 2 — базисные векторы графитовой гексагональной ячейки, а n и m — целые числа. Свёртывание производится так, чтобы начало и конец вектора С совместились. В пределе нехиральных случаев свёртывание происходит по линии зигзаг (при m = 0 ) и по линии ковшик с ручкой (её ещё называют подлокотник кресла — armchair) при m = n. Эти направления на рисунке изображены пунктирными линиями. Вектор трансляции Т вдоль продольной оси нанотрубки перпендикулярен С, его величина показывает, на каком расстоянии вдоль оси структура воспроизводится. Площадь свёртывания, заключённая между Т и С (закрашена цветом), соответствует единичному кусочку нанотрубки, который многократно повторяется вдоль продольной оси. 

Индексы хиральности (m, n) определяют диаметр D однослойной нанотрубки  

√ 3×d 0  

D = √ m 2 + n 2 + mn ,     (1)  

π 

где d 0 = 0.142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в гексагональной сетке графитовой плоскости. Таким образом, зная D, можно найти хиральность (соотношение m и n ). Между индексами хиральности ( m, n ) и углом свёртывания α существует определённая связь.