Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Отмечены превосходные низковольтные электронно-полевые эмиссионные свойства нанотрубок. Плот192ность тока эмиссии достигала 50 мА/см2 в поле 5 В/мкм. По сравнению собычными эмиттерами углеродные нанотрубки показывают более низкиепороговые электрические поля, что и проиллюстрировано в табл. 9.2.Плотности тока, наблюдаемые для углеродных нанотрубок, значительнопревышают ту же величину, что и у обычных эмиттеров, таких как наноалмазы, которые имеют тенденцию к выходу из строя уже при плотностяхтока ниже 30 мА/см2. Эмиттеры УНТ особенно привлекательны для разнообразных применений в вакуумной микроэлектронике и для микроволновых усилителей (плотность тока > 500 мА/см2).Таблица 9.2Значения порогового электрического поля для различных материалов приплотности тока эмиссии – 10 мA/см2МатериалПороговое электрическое поле (В/мкм)Острия MoОстрия SiАлмаз p-типа проводимостиАморфный алмазНанесенный алмазГрафитовый порошок(< 1 мм размер)Наноструктурированный алмазУНТ50 – 10050 – 10013020 – 4020 – 30173 – 5 (нестабильно > 30 мA/см2)1 – 3 (стабильно при 1 A/см2)Катодно-лучевые осветительные элементы на основе УНТ как полевых эмиттеров были изготовлены фирмой Ise Electronic Co.
в Японии. Этиосветительные элементы с УНТ имеют дизайн триодного типа. Различныецвета в элементах получены за счет использования различных флуоресцентных материалов. Светимость люминесцентных экранов была в двараза более интенсивной (время жизни 8000 ч), чем при использованииобычных термических электронно-лучевых трубок в качестве осветительных элементов, работающих в тех же условиях.Так как концы МСУНТ хорошо проводят ток, они могут использоваться в СТМ, АСМ-приборах, так же как и в других зондовых сканирующих исследовательских установках, например в электростатическихсиловых микроскопах.
Преимуществом наконечника нанотрубки являетсяего гибкость и возможность отобразить тонкие особенности структуры(такие как очень маленькие, глубокие поверхностные трещины), которыеявляются почти недоступными в исследованиях с использованием большего по размеру и более затупленного стравленного Si или металлическихзондов. Биологические молекулы типа ДНК также могут быть отображеныс более высоким разрешением, используя верхушки нанотрубок, по срав193нению с применением обычных наконечников в СТМ. МСУНТ и ОСУНТуже использовались в исследованиях биологических молекул с разрешением, которое прежде не достигалось.
Также можно использовать концынанотрубок в субмикронной литографии с применением АСМ. УНТ выглядят очень многообещающими и в системах хранения данных из-за особенностей изнашивания их, и для улучшения эффективности системы помощности в приборах термомеханического хранения данных.
Недавнопродемонстрирована система термомеханического хранения данных наполимерных (метилметакрилат) пленках, используя торцы МСУНТ. Достигнута плотность индентации в таком устройстве > 40 Гигабит/см2.Недавние исследования также показали, что УНТ могут использоваться как перспективные химические или биологические датчики.Удельное электрическое сопротивление ОСУНТ, как было выяснено,ощутимо изменялось под влиянием газообразной окружающей среды, содержащей молекулы NO2, NH3 и O2, или биомолекулы. Было замечено, чтовремя реакции сенсоров на основе нанотрубок является, по крайней мере,на порядок величины быстрее (несколько секунд для изменения сопротивления на порядок величины), чем у сенсоров на основе металлических оксидов и полимерных сенсоров.
Чаще всего химические сенсоры создаютсяна основе полевого транзистора, в котором углеродная нанотрубка играетроль канала прибора.УНТ имеют много потенциальных приложений в качестве «наноканалов» для прецизионной доставки газов или жидкостей. Транспортныескорости в нанотрубках являются на порядки величины более высокими,чем в цеолитах или в любых микропористых материалах, в настоящеевремя доступных для экспериментов. Этот феноменальный результат связан с внутренней гладкостью нанотрубок.Надо упомянуть, что углеродные нанотрубки могут быть эффективно использованы в качестве усиливающих компонент в композитных материалах с высокой прочностью, легким весом и высокой термическойстойкостью (например, в узлах космических кораблей, частях самолетов ит.д.).
НАСА недавно инвестировало большие суммы денег в созданиекомпозиционных материалов на основе нанотрубок, которые будут использоваться в футуристических миссиях на Марс. Имеются определенные преимущества и при использовании УНТ для структурных полимерных (например, эпоксидная смола) соединений. Усиление материала нанотрубками увеличивает прочность композита за счет поглощения энергией в течение их очень гибкого упругого поведения.
Это будет особенноважно для керамических матричных композитов, базирующихся на нанотрубках. Известно, что введение небольшого количества УНТ в полимерные композиты, вызывает увеличение теплопроводности матричного полимера. Тепловые и электрические свойства композитов ОСУНТ-полимер194значительно модифицируются магнитным упорядочением в течение процесса обработки. Связывание нанотрубок в течение приготовления композита является важным фактором для улучшения электрических и, в особенности, тепловых транспортных свойств.Так как нанотрубки имеют относительно прямые и узкие каналы, тосразу же после их открытия предполагалась возможность заполнения полостей УНТ чужеродными материалами для изготовления одномерной нанопроволоки.
Таким образом, нанотрубки использовались как шаблоны,чтобы создать нанопроволоки различных составов и структур, включаязаполнение нанотрубок металлическими и керамическими материалами.Заполненные нанотрубки (SiC, SiO, BN, C) могут также быть синтезировны in situ в течение выращивания нанотрубок в электрической дуге илипутем лазерной абляции. Для различных целей было достигнуто декорирование нанотрубок металлическими частицами и фуллеренами. Недавнобыло выявлено интересное применения заполненных металлом нанотрубок в качестве нанотермометра. Имеется широкий диапазон возможностейиспользовать полое пространство внутри ОСУНТ как одномерное пространство для применения в физике, электронике, химии и биологии.
Другая интригующая возможность – это использование инкорпорированныхфуллеренами нанотрубок. Фуллерен-наполненные нанотрубки («peapods»)были обнаружены Смитом в 1998 году. Метод создания таких структур вкрупном масштабе был позже развит Бандовым. Спиновое упорядочениевнутри peapods-систем может иметь значительное воздействие на развитие будущих устройств памяти. По нашему мнению, такие фуллеренонаполненные УНТ и связки УНТ представляют большой интерес как преломляющие рентгеновские линзы для фокусировки излучения и формирования изображений. Эксперименты Крюгера по прохождению электроновчерез МСУНТ показали, что УНТ могут использоваться как элементы дляфокусировки электронов в наноразмерные пятна.
Электронный пучок вэтом эксперименте был сфокусирован на спроецированный центр трубкии получено увеличение электронной интенсивности в несколько раз. Следует добавить, что массивы ориентированных УНТ представляют большой интерес для наноколлимации пучков заряженных частиц и квантов,могут обеспечивать волноводный режим движения их за счет эффекта каналирования, а также перспективны в устройствах нанолитографии и локального анализа материалов с нанометровым разрешением.Недавно сообщалось о том, что композит ОСУНТ-полиамид нетолько имеет оптическое время распада меньше чем 1 пс, но также характеризуется высокой нелинейной поляризацией третьего порядка, котораяделает композит ОСУНТ-полимер потенциальным материалом для высококачественных оптических переключателей.После того, как было показано экспериментально, что полупроводниковые углеродные нанотрубки могут работать как полевые транзисто195ры, были достигнуты, определенные успехи.
При использовании тонкихпленок подзатворного диэлектрика рабочие напряжения были уменьшеныприблизительно до 1 В. Также было обнаружено, что наблюдаемое поведение p-типа транзисторов на основе УНТ является контактным явлением,а не свойственным массиву. К настоящему времени реализовано множество молекулярных устройств с ОСУНТ, включая различные типы полевыхтранзисторов, одноэлектронные транзисторы, работающие при комнатнойтемпературе, логические схемы, инверторы и электромеханические переключатели. Совсем недавно было сообщено об опытных образцах устройств флэш-памяти с емкостью более 40 Гбит/см2, основанных наОСУНТ. Способность производить транзисторы n-типа важна технологически, поскольку это позволяет изготавливать комплементарные логические приборы и схемы на основе УНТ.
Эксперименты показали, что конверсия p- и n-типа УНТ полевых транзисторов может быть выполнена путем легирования поверхности трубок, используя щелочные металлы, илипросто отжигая транзисторные устройства в вакууме или в инертном газе.9.5. Био-нанотехнологии. Искусственные материалыБез сомнения, наиболее сложными и многофункциональными наноструктурами в настоящее и обозреваемое будущее время будут являтьсямолекулярные комплексы, регулирующие и контролирующие биологические системы. В качестве примера можно привести белки – наноразмерные молекулярные комплексы, которые участвуют практически во всехбиологических процессах, связанных с молекулярным транспортом, метаболизмом, сенсорными и информационными свойствами.Био-нанотехнологии занимаются исследованием свойств биологических наноструктур на молекулярном уровне и их применением; таким образом, они находятся на границе между химией, биологией и физикой.Основными направлениями исследований био-нанотехнологии являютсяпроизводство вспомогательных биологически совместимых материалов иразвитие технологии для создания:– средств мониторинга состояния организма на клеточном и субклеточном уровне;– новых биологических сенсоров;– новых лекарств.Био-нанотехнологии не имеют в качестве предметной областипроизводство собственно биологических материалов, таких как, например, белков, или генетическую модификацию растений или живых организмов для придания им новых свойств.Основной акцент в био-нанотехнологии делается на исследования вобласти медицины – разработка новых лекарств, улучшение технологий196для диагностирования и лечения, мониторинг состояния организмов сосверхвысоким разрешением (гораздо большим, чем сейчас позволяют технологии на основе ядерного магнитного резонанса).Нанотехнология обладает огромным потенциалом для разработкиновых методов целевой доставки лекарств, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
