2.нанокластеры и наночастицы
- 1. Нанокластеры и наночастицы Лекция№2 План: 1. Наночастицы и атомные кластеры. 2. Наноструктурированные пленки. 3. Углеродные нанокластеры: фуллерены и нанотрубки.
- 2. Атомные кластеры. Молекулярные кластерыметаллов — это многоядерные комплексные соединения, в основе молекулярной структуры которых находится остов из атомов металлов. Кластером считается ядро, включающее более двух атомов. Металлический остов представляет собой цепи различной длины, разветвленные циклы, полиэдры и их комбинации. Наибольший интерес представляют стабильные кластеры, имеющие форму правильных многогранников с определенным количеством атомов («магические числа»). Нанокластер золота Au12 TEM фотография нанокластера соединения CoMoS TEM фотография нанокластера из атомов ксенона в кристалле алюминия
- 3. Кластеры и наночастицы.Характерная шкала размеров
- 4. Наночастицы. Роль поверхности. Характернойособенностью наночастиц является большой процент атомов, находящихся на поверхности частицы. Большое количество поверхностных атомов приводит, например, к высокой реакционной способности наночастиц. В 1 см3 алюминия (кубик с ребром 1см) около 6⋅1022 атомов, из них на поверхности менее 10-5 % В кубике с ребром 5 нм на поверхности уже около 20% атомов В кубике с ребром 1 нм на поверхности более 50% атомов!!!
- 5. Наноструктурированные пленки Тонкие наноструктурированныепленки представляют собой организованные наносистемы, в которых наноразмер проявляется только в одном измерении, а два других могут обладать макроразмерами. Способы получения наноструктурированных пленок: 1. Эпитаксия: на ориентированную поверхность монокристалла наносят лазерным испарением или с помощью молекулярных пучков требуемое вещество. 2. Метод CVD (Chemical Vapor Deposition - химическое парофазное осаждение): исходное вещество испаряется в отдельной камере, а затем переносится через газовую фазу и осаждается в нужной пропорции на выбранную подложку. 3. Метод молекулярного наслаивания: организации поверхностных химических реакций с пространственным и временным разделением. 4. Выпаривание коллоидных растворов: пленки, полученные по принципу свободного падения кластеров типа падения апельсинов на подложку получаются организованными, но не прочными, а попытки связать кластеры и сделать пленку прочной приводят к потери ее организации. 5. Метод Ленгмюра-Блоджетт.
- 6. Молекулярно-лучевая эпитаксия Технология молекулярно-лучевойэпитаксии позволяет наносить на поверхность подложки (например, из кремния, сапфира или арсенида галлия) слои различных полупроводниковых и диэлектрических материалов толщиной вплоть до одного атомного слоя. Эти вещества нагреваются в испарительных ячейках установки для эпитаксии. Пучок испарившихся молекул направляется на подложку, где оседает тонким слоем определенного состава. Процесс роста проводится в глубоком вакууме — посторонние молекулы могут привести к искажению свойств создаваемой структуры.
- 7. Создание пленок Ленгмюра-Блоджетт ИрвингЛенгмюр (1881 -1957) Кэтрин Блоджетт (1889 -1979 ) Схема устройства для нанесения на твердую подложку пленок Ленгмюра - Блоджетт: 1 – ванна; 2 – станина на амортизаторах; 3 – прозрачный защитный кожух; 4 – механизм подъема и опускания подложек (5); 6 – весы для измерения поверхностного давления; 7 – схема управления мотором; 8 – мотор, управляющий подвижным барьером (9) Получение монослоев X- (а) и Z- типа (б) по Ленгмюру и Блоджетт
- 8. Фуллерены Обнаружены в 1985г. Г. Крото, Р. Смолли и Р. Керлом (Нобелевская премия по химии 1996 г.) в ходе обличения мощным лазером твердой графитовой мишени. В 1990 г. группа под руководством В. Кречмера и Д.Р. Хоффмана синтезировала твердый фуллерен в макроскопических количествах (порядка нескольких грамм). Молекула С60 содержит 60 атомов углерода, расположенных в узлах 12 пентагонов и 20 гексагонов.К классу фуллеренов относятся также более крупные молекулы С70, С76, С84, С180, С240, С540. При определенных условиях молекулы фуллерена упорядочиваются в пространстве, располагаясь в узлах кристаллической решетки. При этом образуется новая кристаллическая фаза – фуллерит. Фуллерен Фуллерит
- 9. Фуллерены. История открытия. АлмазГрафит Углеродная цепь Звезда – красный гигант Исследования показали, что свойства углеродных цепей подобны газопылевым облакам, порожденным красными гигантами. В 1985 г. химик , работающий в области астрономии Г. Крото убедил физико-химика Р. Смолли попытаться смоделировать в лаборатории процессы синтеза углеродных цепей, происходящие в космическом пространстве. Результат оказался крайне неожиданным и даже фантастическим.
- 10. Фуллерены. История открытия. Ваппарате Смолли мощный пучок лазера превращал графит в горячее облако частиц, остужаемых потоком гелия, позволяя атомам конденсироваться в кластеры. Смесь была исследована при помощи масс-спектрометра, который показал большое число частиц с массой, равной 720 а.е.м. Это значит, что в системе присутствуют кластеры с 60 атомами углерода. Было сделано смелое предположение, что атомы расположены в форме футбольного мяча из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Из-за своей структурной симметрии, которая явно выделялась в то время в нескольких конструкциях архитектора Бакминстера Фуллера, ученые назвали молекулу «бакминстерфуллерен». Часто «бакминстерфуллерен» называют просто фуллереном или бакиболом. Группа В. Кречмера и Д.Р. Хоффмана синтезировала твердый фуллерен в макроскопических количествах при помощи электрической дуги и подтвердила при помощи рентгеноструктурного анализа её форму. Фуллерен С60 Фуллерен С70 Вскоре выяснилось, что существуют и другие формы фуллеренов, например С70 в виде мяча для регби.
- 11. Фуллерены Схема возможного механизмаобразования частиц сажи.
- 12. Углеродные нанотрубки Углеродные нанотрубкиэто структуры с диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной несколько микрон, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку графитовых слоев с гексагональной организацией углеродных атомов. Нанотрубки обнаружены японским ученым С. Ииямой в 1991 г. в результате исследования сажи, образованной в дуговом разряде между графитовыми электродами. Структура нанотрубки Схема установки для получения нанотрубок: 1- катод, 2 – анод, 3 – слой осадка, содержащий нанотрубки, 4 – электрическая дуга. ТЕМ фотография нанотрубок
- 13. Углеродные нанотрубки Идеальная нанотрубкапредставляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т. е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации задает хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, ее электрические характеристики. Однослойные нанотрубки делятся на следующие типы: «armchair» (кресло) или «зубчатые»; «zigzag» (зигзаг); хиральные – промежуточное состояние между этими двумя. Нанотрубки типов: кресло (а) и зигзаг (б).
- 14. Углеродные нанотрубки. Структуры многослойныхнанотрубок: а) русская матрешка (russian dolls); б) призма; в) свиток (scroll). Схема эксперимента по удлинению и заострению нанотрубки.
- 15. Углеродные нанотрубки. em p E 2 2 = 2 3kT E = Энергияэлектрона в нанотрубке kTmp e3= Импульс электрона íì p h B 3,6~ ≈λ Дебройлевская длина волны dB ≥λ Электрон в нанотрубке проявляет свои волновые свойства eUE =∆ htE ≈∆∆ te h U ∆ ≈ t e I ∆ = 2 Ток создают два электрона с противоположными спинами êÎì e h G I U R 9.12 2 2 ==== Нанотрубка обладает баллистической проводимостью (не выделяет джоулево тепло).
- 16. Углеродные нанотрубки Свойства Характеристикинанотрубок Возможные применения Механические Высокая прочность (в 100 раз прочнее и в 6 раз легче стали) Сверхпрочные нити, композитные материалы Высокая гибкость Наноактюаторы, нановесы, наноприемник радиоволн Высокая эластичность Зонды для АСМ Электронные Изменение электронных свойств в зависимости от диаметра и структуры (переходы металл- полупроводник) Нанодиоды и нанотранзисторы Высокая проводимость металлических нанотрубок Прозрачные проводящие пластики Высокая полевая эмиссия Дисплеи, электронные пушки, рентгеновские трубки Физико- химические Высокая удельная поверхность (100-1000 м2 /г) Носители катализаторов Высокая пористость Капсулы для хранения газов, нанобатареи, нанопипетки
- 17. Углеродные нанотрубки. Применение. Схемаустройства и ВАХ диода на основе изогнутой нанотрубки Схемы влияния замены шестиугольника на пятиугольник и шестиугольник на форму УНТ (а) и изменения потенциального барьера для электронной проводимости (б).
- 18. Углеродные нанотрубки. Применение. Дисплейс использованием автоэлектронной эмиссии из нанотрубок Полевой транзистор на нанотрубке (а) и зависимость проводимости от потенциала затвора (б).