sintez-i-primenenie-nanoprovodnikov-na-osnove-zolota (Синтез и применение нанопроводников на основе золота)

Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. Баумана

Реферат по курсу:

«Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

Тема:

«Синтез и применение нанопроводников на основе золота»

Выполнила:

Студентка 4курса

Группы МТ11-72

МГТУ им. Н.Э.Баумана

Тюлькова А.А.

Преподаватель: Беликов А.И.

Москва 2014г

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….…3

1. Массив вертикальных наностержней, содержащих ядро и оболочку: применение в литиевых электродах…………………………………………………………………….4

2. Упрощённый метод синтеза волнистых нанопроводников и исследование механизма их роста …………………………………………………………………….7

3. Идеальные инфракрасные поглотители на основе нанопроволоки в полостях метаматериала ………………………………………….………………………………11

4. Золотые нанопровода, способные к плазмонике в оптических волокнах…………..13

Заключение…………………………………………………………………………………...…16

Список использованных источников информации…………………………………………..17

Введение

Нанопроводник – наноструктура с диаметром порядка нескольких нанометров. Можно добавить, что отношение длины проводника к его диаметру должно быть не менее, чем 100:1. В этих масштабах важны проявляемые такими структурами квантово-механические эффекты.

Проводни́к — вещество, хорошо проводящее электрический ток; в таком веществе имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри объёма вещества. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита).

Золото занимает 3е место по электрической проводимости среди металлов после серебра и меди (медь - 62 500 000См/м; серебро - 58 100 000См/м; золото - 45 500 000См/м), обладает хорошей теплопроводностью, а также химической инертностью. В обычных условиях этот металл не окисляется на воздухе и в воде, не реагирует с кислотами и щелочами. Золото растворяется только в «царской водке» - смеси концентрированных соляной и азотной кислот, а также в щелочных растворах цианистого калия или натрия.

В настоящее время в нанотехнологиях применяются однонаправленные и двунаправленные структуры из золота (пленки, столбики, провода), в которых сочетаются традиционные свойства золота, проявляемые на макроуровне (химическая инертность, хорошая электропроводность), с новыми свойствами наноструктур (способность к холодной сварке проводов и т.д). Поэтому наноструктуры из золота являются перспективными для применения в качестве микроскопических проводников.

1. Массив вертикальных наностержней, содержащих ядро и оболочку: применение в литиевых электродах [1]

Контроль роста наноструктурных материалов и их интеграция в приборы имеет большое значение для наноприборов следующего поколения, обладающих низким потреблением энергии, высокой эффективностью и экологически безопасным производством. Нуль-мерные и одномерные наноструктурные материалы хорошо изучены в качестве преобразователей и хранителей энергии в устройствах в ответ на требования к передовым и экологичным источникам энергии с высокой плотностью энергии и мощностью на выходе. В частности, наноструктурированные материалы подходят для литиевых батарей следующего поколения, так как благодаря высокой емкости энергии и быстрой работе они способны существенно увеличить область реакции, которая получается из-за большой площади поверхности и облегченному протеканию носителей заряда по укороченным путям.

Было проведено много исследований для решения проблем низкой емкости, производительности, токсичности и безопасности, связанных с использованием обычных систем электродов. Например, оксидов переходных металлов, такие как V₂O₅, MoO_3, LiFePO₄, которые были изучены в качестве перспективных катодных электродов. Однако эти материалы являются плохими проводниками электронов и серьезно повреждаются при установке и изъятии Li. Еще один вариант – применение включений наночастиц, которые оказались одним из наиболее выгодных подходов и распределение 1D структуры в электродном материале для достижения увеличенной плотности хранения и высокоскоростной производительности. Но предложенный электрод не является истинным наноструктурированным электродом, поскольку не было найдено способов создания равномерной структуры. Вместе этого, одномерные наноструктуры являются случайно распределенными или агрегированными в матрице электрода, что не позволяет предсказать конечный эффект.

Был создан наноструктурный электрод, состоящий из выровненных 1D наноструктур и имеющий преимущества для использования в батареях на литиевых электродах. Этот электрод имеет вертикально расположенный массив наностержней, состоящих из порытых золотом углеродных нанотрубок и элекроактивной оболочки из V₂O₅, которая создана с использованием анодного шаблона из оксида алюминия Al₂O₃. Предложенная система электрода является практически идеальным наноструктурным вариантом для электрода литиевой батареи, поскольку производительность повышается через: 1) облегченный перенос электронов через проводящее ядро (Au/CNTs), 2) облегчение диффузии ионов лития, 3) эффективный перенос электролита между вертикально расположенными наностержнями с оптимизированным расстоянием.

Рисунок 1 – Схематическая иллюстрация процесса изготовления вертикально расположенных наностолбиков. a) Пористый наношаблон из анодированного алюминия (диаметр пор ~ 50нм); b) Образование углеродных нанотрубок путем химического осаждения из паровой фазы; с) Ионное травление и последующее химическое травление CNT; d) Осаждение слоя углерода путем химического осаждения из паровой фазы; e) Покрытие углеродных нанотрубок золотом путем распыления; f) Осаждение V₂O₅ в качестве активного материала путем распыления.

Вертикально расположенные стержни состоят из Au/CNT ядра и V₂O₅ оболочки. Высокоорганизованные поры были изготовлены путем двухступенчатого анодирования, при котором электрополированная алюминиевая фольга была подвержена анодной обработке в 0,3М растворе щавелевой кислоты при 287К при постоянном напряжении 40В. CVD (химическое осаждение из газовой фазы) было использовано для создания роста углеродных нанотрубок (CNT) путем пиролиза ацетилена при 873К в порах анодного оксида алюминия. СNT матрица подвергалась ионному травлению для удаления с поверхности углерода и затем химически травился анодный оксид алюминия, после чего на поверхности анодного оксида алюминия снова осаждался слой углерода с использованием метода для выращивания CNT. Au и V₂O₅ осаждали путем распыления над вертикально расположенным шестиугольным рисунком CNT для создания матрицы. Гексагональный рисунок матрицы расположен вертикально и физически изолирован, но электрически соединен через электрод со слоем углерода и золотым покрытием, которое способно быстро переносить заряд. Плотность, диаметр и высота столбиков контролируются управлением матрицей из анодированного оксида алюминия и процессом травления.

Рисунок 2 – Изображения сканирующей электронной микроскопии: a) Пористый наношаблон из анодированного оксида алюминия с матрицей гексагональных пор; b) Выровненная по вертикали CNT матрица; c) Матрица из углеродных нанотрубок, покрытых золотом; d) Вертикально выровненная матрица наностолбиков с оболочками из V₂O₅)

Диаметр столбиков примерно равен 100нм, причем внешняя оболочка из V₂O₅ занимает 15нм, а покрытые золотом CNT - 75нм. Высота столбиков составляет примерно 150нм, из которых 40нм – верхний слой из V₂O₅ , 110нм – ядро. Осаждение V₂O₅ происходит преимущественно на торцах CNT, а не на боковых стенках, из-за того, что верхушки имеют более активные участки и имеют большую вероятность получения потока распыленных атомов.

Система наноструктурного электрода из вертикально расположенных столбиков была рассмотрена со вставками и добычей ионов лития для демонстрации электрохимической производительности в электродах хранения энергии. Процессы зарядки/разрядки были воспроизведены с использованием полуэлементной системы из двух электродов, в которых литий был использован в качестве противоэлектрода и выращенный распылением V₂O₅ электрод был в наличии или отсутствовал в наноструктуре, используемой в качестве рабочих электродов.

Электрод, состоящий из CNT/Au наностолбиков в V₂O₅ оболочке имеет ряд преимуществ:1) Большое отношение площади поверхности к объему активного материала можно ожидать через выравнивание вертикальной 1D наноструктуры с управляемой длиной и промежутками между столбиками, что должно обеспечить более активные центры. 2) Длина диффузии ионов лития может быть уменьшена или контролируема управлением толщиной V₂O₅ слоя оболочки. 3) Размеры наноструктуры ядро – оболочка могут быть более постоянными в условиях механических напряжений, которые вызываются распылением и потерей электрического контакта. 4) Присутствует активный перенос электронов через покрытое золотом CNT ядро внутри каждого наностолбика, состоящего из ядра и оболочки.

1. Упрощённый метод синтеза волнистых нанопроводников и исследование механизма их роста [2]

Одномерные металлические наноструктуры в виде проводов, столбиков и трубок вызвали большой интерес в связи с их уникальными свойствами, связанными с переносом электронов, фотонов и поверхностных плазмонов. В частности, химическая стабильность золота сделала его нанопроволоки привлекательными строительными блоками для производства наноразмерных фотонных, электронных и зондирующих устройств, заметные примеры включают плазмонные усики, прозрачные электроды и биосенсоры. Значительные усилия были направлены на синтез нанопроводов из золота и в опубликованных результатах сообщается о создании рисунка на подложке, собрания частиц, росте зародышей и поверхности, синтезе при помощи шаблонов.

Один из наиболее успешных отчетов содержит информацию об образовании Au нанопроводников (и наностолбиков) в присутствии небольшого количества поверхностно-активных молекул, таких как бромид цетилтриметиламмония (CTAB), олеиновая кислота или олеиламин. Эти дифильные молекулы играют центральную роль в синтезе, работая как покрывающий агент для поверхности и в качестве мягких шаблонов для ограничения и направления роста или прилипания Au атомов или наночастиц для образования нанопроводов. Распределение золотых нанопроводов в растворе сильно зависит от свойств поверхности, которые могут контролироваться путем управления сборкой дифильных молекул на их поверхности. Большинство опубликованных отчетов о синтезах включает образование Au нанопроводов в объеме водного раствора, где поверхностно-активные молекулы адсорбируются на поверхности золота для образования двойного гидрофильного слоя. Есть только несколько отчетов о синтезе золотых нанопроводов с гидрофобной поверхностью в водных растворах, поэтому нанопровода будут обогащены на границе воздух/поверхность воды. Некоторые исследователи сообщили о росте Au нанопроводов на границе поверхности с воздухом и водным раствором путем использования Au, покрытым Pt наконечником для инициирования роста. Несмотря на успех по отношению к росту Au нанопроводов с хорошо определенной морфологией на границе поверхностей вода/воздух, они не обсуждали, почему Au нанопроводники создавались на границе раздела поверхностей вода/воздух. Более того, рост был инициирован с помощью шаблона микрометрового размера, который станет неблагоприятным для производства нанопроволок в больших масштабах.

Представляют легкий способ образования Au волнистых нанопроводников при комнатной температуре. Синтез включает восстановление HAuCl₄ с помощью аскорбиновой кислоты в присутствии CTAB, дифильных молекул, которые могут служить одновременно координационными лигандами для ионов Au и покрывающим агентом для полученных наноструктур Au. Нанопровода формируются в результате присоединения частиц к первоначально сформированной наночастице, последующей холодной сварке, поверхностной диффузии и дополнительному росту. Во время синтеза нанопровода были сконцентрированы на границе раздела вода/воздух. При анализе свойств поверхности получившихся наноструктур Au, были обнаружены CTAB молекулы, адсорбированные на поверхности наноструктур Au, прошедшие через структурные изменения от двойного гидрофильного слоя до гидрофобного монослоя, перемещающего Au волнистые нанопровода к границе раздела вода/воздух.

В отличие от обычного зародышевого роста Au наностолбиков с контролируемым отношением высоты к диаметру, Au волнистые нанопровода были синтезированы при одношаговой процедуре, во время которой значительно уменьшилась концентрация предшествующего вещества. При обычном синтезе, водный раствор аскорбиновой кислоты вводится в водный раствор HAuCl₄ и CTAB с помощью пипетки с последующим добавлением водного раствора NaOH. Введение аскорбиновой кислоты сразу же изменяет окраску раствора с оранжевой на бесцветную из-за восстановления Au³⁺ до Au⁺ , тем самым создавая новое вещество-предшественник со степенью окисления +1. Промежуточный раствор, содержащий комплекс Au^I должен быть выдержан при комнатной температуре в течение нескольких часов. Когда вводят раствор NaOH с низкой концентрацией, уменьшающаяся сила аскорбиновой кислоты будет повышена для ускорения сокращения предшественника Au^I. Смесь оставляли для протекания реакции без помех при комнатной температуре в течение 24ч, при которой на границе раздела воздух/раствор постепенно появлялись коричневые материалы. Средний диаметр волнистого нанопроводка составляет 15нм, длина достигает 100мкм. Эти нанопроводки имеют тенденцию к последующему слиянию в пучки на границе раздела вода/воздух. В некотором смысле, волнистые нанопроводники считаются поликристаллическими, а не монокристаллическими структурами.