Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕРОДА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ИЗ МАРКОСТРУКТУРЫ В НАНОСТРУКТУРУ

Чэнь Шумэн Ч.Ш. 1 Лю Ч.Ч. 1 Чжу И.Н. 1
1 Томский политехнический университет
в процессе выполнения данной работы был проведен сравнительный анализ свойств углерода в нано- и макроструктурах. Изучение свойств углерода было проведено путем обзора литературных источников. Были рассмотрены следующие свойства: температуры плавления и плотность, температуры кипения, и удельное электрическое сопротивление. В результате сравнения установлено, что данные свойства у нано- и макроструктур у углерода имеют некоторые различия, только электрическое сопротивление сильно отличается, а у остальных незначительные. Для того, чтобы определить, какие размерные эффекты влияют на различия свойств меди в нано- и микроструктурах, рассчитана длина волны де-Бройля, затем проведено сравнение получившегося значения с размером частицы в наноструктуре. В результате, было установлено, что измерения объясняются классическими размерными эффектами. Также проанализированы сферы применения наночастиц углерода.
ключевые слова: связи
поверхность Ферми
наноструктура
размерный эффект
эффективная масса
точка дирака.
.
1 Елецкий А.В. Механические свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе // Успехи физических наук/ –2007. –Т.177, №3. –С.233-274;
2 Золотухин И.В. Углеродные нанотрубки// Соросовский образовательный журнал. Физика/ –1999. –№3. –С. 111–115;
3 Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогной О.В. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие – Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, –2000. –C. 360;
4 S. Lijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature (London) 354, 56
(1991).
5 П.Н. Дьячков. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. Москва, Издательство Бином, Лаборатория знаний, 2006, 293 с.
6 Полякова А.А. Введение в масс-спектрометрию органических соединений.Влияние структуры и положения алкилыюго радикала на интенсивность образования ионов с массой 43
7 Гаврилов Ю.В. Переработка твердых природных энергоносителей. Примерный материальный баланс первичных продуктов синтеза углеводородов

Введение У наноматериалов имеются некоторые хорошие свойства и перспективное использование. Наноматериалы и нанотехника являются найболее важными в современном обществе. Сейчас разделы, связанные с нанотехнологиями, входят в программы многих отечественных и международных конгрессов и конференций, как самостоятельные части.

Анализ свойств углерода в макро- и наноструктурах У графита смешенная решётка. Структура показана в рисунке 1. Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода и образуют гексагональную структуру в одном слое. Расстояние между атомами в одном слое – 0,142нм и а=0,24нм с=0,670нм.

Hex

Рис. 1 Схема решётки графита [1].

Рассчитаны параметры обратной решётки. Пусть d=0,142 нм - расстояние между атомами в одном слое, то , и начальная точка совместится с узлом решётки, а две оси совместятся с ребрами решётки, получим базисы прямой решётки: ,?.

Зная базисы прямой решётки, получим базисы обратной решётки:

;

;

.

На рис. 2 представлена топология поверхности Ферми графита. Поверхность Ферми представляет собой наглядную иллюстрацию поведения электронов в графите и позволяет объяснить основные свойства графита [6].

??

Рис. 2 Зона Бриллюэна графита [7].

??2

Рис. 3 Поверхность Ферми графита [6].

По рисунку видно, что поверхность Ферми находится внутри зоны Бриллюэна (рис. 2) и она имеет открытые направления (рис. 3).

В таблице1 представлено сравнение свойства графита в макро- и наноструктурах [2,3,7].

 

Таблица 1 Свойства в макро- и наноструктурах.

Свойства

Макроструктура

Наноструктура

Температура плавления, ºC

3652

3652 - 3697

Плотность, г/см3

2,25

2,1

Удельное электрическое сопротивление, мкОм·м

6,5

0.55

Размер, нм

-

2 - 100

Температура кипения, ºC

4827

-

По данным таблицы видно, что температура плавления для макро- и наноструктуры почти не отличается; удельное сопротивление меняется значительно и уменьшается в 11,8 раза; плотность уменьшается на 6,7%.

Уменьшение плотности на 6,7% объясняется характером структуры графита: у графита смешанная структура, очень неплотная по сравнению с металлами. Расстояние между атомами графита, особенно между слоями, больше, чем расстояние между атомами плотноупакованной структуры. Из расчета получен коэффициент упаковки графита – 17,08%, который существительно меньше чем коэффициент упаковки плотноупакованной структуры (74%). Поэтому, когда разрывались связи между слоями и образвались нанотрубки (УНТ), коэффициент упаковки не существительно меняется. Это значит, что при определении плотности между нанотрубками существует пустые места, которые уменьшают плотность нанотрубки, но, в общем, по сравнению со структурой графита, эти пустые места являются незначительными. Поэтому получена такая плотность. А для металлов, имеющих плотноупакованную структуру, эти пустые места существительно влияют на плотность.

Изменение температуры плавления незначительное, тоже потому что у графита особая структура. Слои связаны силой Ван-дер-Ваальса, а это очень слабая связь. При получении из графита нанотрубок разрываются связи между слоями, поэтому температура плавления изменяется незначительно.

Для определения вклада в изменение свойств размерных эффектов необходимо рассчитать длину волны де Бройля или длину свободного пробега и сравнить полученное значение с размером нанотрубок графита.

Формула для расчета:

где, m = 9,1110-31 кг – масса электрона; h = 6,6310-34 Дж·с – постоянная Планка, υ = 106 м/с – скорость электрона.

Получено, что длина волны де Бройля  λ = 0,7 нм, это сравннимо с наименьшим диаметром нанотрубки 2-100 нм., поэтому квантовые размерные эффекты влияют на изменение свойств нанотрубок из монослоя, имеющих малые диаметры. Одной из причин размерных эффектов является большая доля приповерхностных атомов, которая возникает вследствие ненасыщенности атомных связей у поверхности, другая причина - искажения решетки у поверхности, а также тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Особое свойство и причина Удельное сопротивление меняется значительно и уменьшается в 11,8 раза, такая большая разница объясняется с помощью квантовой механики. Нанотрубки графита очень похожи на графен, т.к. имеют монослойную структуру, ( нанотрубки в виде цилиндра, а графен в виде пленки). Свойства удельного сопротивления очень похожи. Рассмотрим поведение электронов в графене.

Рис. 4 Прямая и обратная решётки графена

По модели приближения сильно связанных электронов получено распределение энергии в пространстве импульса, это показано на рис. 5.

Рис. 5 Распределение энергии в пространстве импульса

В окрестности точки K получено, что эффективная масса электрона равна нулю из-за линейного соотношения дисперсии. В этом случае уравнение Шредингера уже не работает. Из преобразования Фурье для оператора энергии получим:

Получена компонента волновой функции в направлении K,

компонента волновой функции в направлении ,

 Эти две компоненты являются осесиммеричными и фазы отличаются на , то эти две компонеты можно рассмотреваться как группу компонет спина и получим спиральности этих двух компонент:.

Рис. 6 Точка Дирака

Это очень похоже на электроны с нулевой массой и спином, ориентированным. Таким образом, электрон около точки K – это положительная частица, а дырка – это отрицательная частица. Электрон и дырка вместе называются Дирак фермионом. K – это точка Дирака (рис. 6).

IMG_256

Рис. 7 Туннелирование электрона

Получим вероятность туннелирования:

При , вероятность приближается к 1, поэтому у электрона очень длинный свободный пробег и у нанотрубки и графена очень низкое удельное сопротивление.

Методы получения угреродных нанотрубок 1. Электродуговое распыление графита Самым распространенным методом является получение нанотрубок термическим распылением графитового анода в плазме дугового разряда [2] (рис. 8).

Рис. 8. Схема установки для получения нанотрубок:1 – катод, 2 - анод, 3-  углеродный осадок, содержащий нанотрубки, 4 – плазма дуги [2].

2. Метод при химическом осаждении из газовой фазы (CVD) или каталитическое разложение углеводородов. Существенные достижения в технологии получения нанотрубок связаны с использованием процесса каталитического разложения углеводородов. (На рис. 9 представлена схема проведения такого процесса [3].)

Рис. 9. Схема установки для получения нанотрубок методом химического осаждения [2].

Применение[1] Как было уже отмечено выше, в связи с наличием уникальных свойств углеродные нанотрубки  могут применяться в различных областях науки и промышленности. Ниже представлены некоторые области их применения:

1 Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

2 Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

3 Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

4 Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

5  Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

6  Медицина (в стадии активной разработки) [1].

Заключение Проведен сравнительный анализ свойств графита в макро- и наноструктурах. В процессе анализа литературных источников было обнаружено, что часть свойств  наноструктуры графита отличаются от макроструктуры незначительно, а удельное электрическое сопротивление электрическое свойство очень сильно отличается. Показано, что основные причины изменения свойств графита из макро- в наноструктурах - это квантовые размерные эффекты, связи между атомами, и точка Дирака.


Библиографическая ссылка

Чэнь Шумэн Ч.Ш., Лю Ч.Ч., Чжу И.Н. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕРОДА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ИЗ МАРКОСТРУКТУРЫ В НАНОСТРУКТУРУ // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=16759 (дата обращения: 01.06.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074