Главная » Просмотр файлов » 28_Углеродные элементы и устройства

28_Углеродные элементы и устройства (1002191)

Файл №1002191 28_Углеродные элементы и устройства (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)28_Углеродные элементы и устройства (1002191)2016-04-06СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

9


Углеродные элементы и устройства.

Модификации углерода.

Модификация

n

длина связи, r, нм

Энергия связи,

Uсв, Дж/моль

Плотность,

г/см3

Алмаз

4

ro = 0.154

3.5 105

3.52

Графит

3

ro1=0.142 , ro2=0.34

103

2.26

Фуллерен

3

нанотрубки

3

ro = 0.140

Карбин(чаонит)

2

Состояние внешнего электронного слоя атома ( 2s, 2p ): нормальное ( газ С О)

­¯

­

­

возбужденное (8 - N ) алмаз

­

­

­

­

С+, графит

­

­

­

.

Рис. Полиморфические модификации углерода.

С - алмаз с n=4 кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке. При этом одна половина атомов располагается в вершине и центре граней одного куба, а другая - в вершинах и гранях другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали (решетка с базисом). Алмаз обладает более плотной упаковкой и существенно бoльшей энергией связи. Искусственный алмаз был впервые получен в 1955 году из графита при температуре 3000° С и давлении 1010 Па. При температуре 500 °С и нормальном давлении алмаз превращается в графит.

Модификации углерода с координационным числом n=2 долго не могли найти в природе. Синтетически получено вещество, состоящее из линейных цепных полимеров с полииновыми связями ...- С º С - С º С - С º С -... (карбин), с кумулированными связями...С = С = С = С =... (кумулен). Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных волокон в среде благородных газов. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами: под действием света проводимость существенно увеличивается. Структура карбина предопределяет создание волокон, обладающих высокой прочностью. Они используются для армирования сверхпрочных материалов, например, для бронежилетов конструкционных элементов самолетов, ракет, ракетных двигателей, костюмов, обогреваемых электричеством.

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами.

Рис. Диаграмма состояния углерода:

алмаз (1), карбин (2), жидкость (3), графит (4), пар (5).

Графен.

В образовании кристаллической структуры углерода на основе ковалентной связи участвуют три электрона: n=3 . Образуются плоскости из 6-гранников с длиною связи ro1 = 0.142 нм. Такая плоскость получила название графена. В узлах плоскости располагаются катионы. 4-ые электроны группируются вблизи катионной плоскости. Расстояние между катионами при ковалентной связи меньше, чем при металлической или ионной связи. Плотность заряда графена большая. Высока подвижность электронов.

Материал

кремния

арсенида галлия

графен

Подвижность электронов, м2/в·с

0,15

0,85

20

Существенное изменение параметров наблюдается на краях однородной плоскости, поскольку там нарушаются благоприятные условия однородной структуры. Увеличивается химическая активность атомов углерода. Наблюдаются эффекты переотражения, увеличивающие сопротивление.

Температурные колебания узлов кристаллической решетки и ее дефекты (особенно вакансии) вызывают отражение или рассеяние электронов, что эквивалентно появлению электрического сопротивления. Нарушения правильности структуры подложки вызывают возникновение горбов и впадин на листе графена. Тем не менее, даже при комнатной температуре графен держит рекорд по подвижности.

Рис. Структура графена: идеальная и с температурными искажениями.

Тонкие графеновые полосы: менее десяти нанометров в ширину, длиной несколько микрон, - могут использоваться для транзисторов. Соотношение проводимости закрытого и открытого состояния транзисторов более чем 100000/1.

(а) (б) (в)

Рис. Изображение (а) и структура (б) графеновой полоски.

Изображение (в) графенового транзистора.

Графен прозрачен для света из-за малой толщины, поэтому может применяться в устройствах с прозрачными электродами, например, дисплеях, сенсорных экранах и солнечных батареях. Сейчас в таких устройствах применяется оксид индия и олова, однако графен будет более дешев и гибок, надеются исследователи в сфере нанотехнологий. Графен также позволяет увеличить плотность заряда в накопителях, поскольку изготовленные из графена электроды имеют очень высокую площадь поверхности при низкой массе.

При повышении температуры подвижность падает: складки и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Высокая подвижность электронов обусловливает высокую теплопроводность.

Материал

Тепловодность, Вт/(м К)

Кремний

145

Медь

380

Алмаз

1000 – 2200

УНТ

3000 – 3500

Графен

5300

Углеродные нанотрубки.

УНТ не только прочны (ковалентная связь), но и гибки.

Рис. Деформирующие свойства многослойной стенки углеродной трубки.

Не содержащая дефектов одностенная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в виде цилиндра ленту графена. В общем случае нанотрубки обладают винтовой осью симметрии (тогда говорят, что они хиральны). Нехиральными оказываются нанотрубки, в которых углеродные шестиугольники ориентированы параллельно и перпендикулярно оси цилиндра соответственно. Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников и даже диэлектриков.

Рис. Построение модели нанотрубки: а) графеновый слой и условное сворачивание ленты в нанотрубку; б) координаты углеродной нанотрубки.

Рис. Изображение (a) и схема (b) конденсатора на УНТ.

Свободные концы обкладок конденсатора можно использовать для создания варактора.

Рис. Пример полосового фильтра на основе варактора.

Диод. Если углеродный шестиугольник заменить, например, на пятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, нанотрубка изогнется. Дефект изгиба нанотрубки в месте стыковки 7-угольника и 5-угольника вызывает изменение энергии и подвижности электронов. В частности, для приведенного на рис. случая, слева относительно изгиба нанотрубка должна быть металлической, а справа - полупроводниковой. Таким образом, эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

Рис. Влияние дефекта семиугольник-пятиугольник на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов (б).

“Одностороннее” прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода.

Рис. Выпрямляющий диод на изогнутой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами (а); вольт-амперная характеристика для такой системы (б).

Транзистор. Для полевого транзистора используется полупроводниковая нанотрубка в контакте с тонкими проводниками на кварцевой подложке. Затвором является кремниевый слой под кварцем. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает.

Рис. Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой (а); зависимость проводимости в цепи от потенциала затвора (б).

Нанотранзисторы получают также из углеродных нанотрубок Y – типа, похожих на ветку дерева. Эти структуры фактически являются транзисторами с высоким быстродействием, не требующими дополнительных доработок (формирования проводящих и диэлектрических слоёв, электродов). При подаче отрицательного напряжения на корень нанотрубки протекание электронов между ветвями прекращается, а при подаче положительного напряжения протекание электронного тока возобновляется, то есть также как в транзисторных ключах.

Характеристики

Тип файла
Документ
Размер
1,71 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6376
Авторов
на СтудИзбе
309
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее