Фуллерен как материал для полупроводниковой техники

Содержание

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

Фуллерен...…………………………………………………………….. 5

1. Получение фуллеренов…………………………….……….. 6

2. Фуллерен как материал для полупроводниковой

техники …………………………………………….………….7

3. Фуллерен как фоторезист………………………….……….. 8

4. Фуллереновые добавки для роста алмазных

плёнок методом CVD…………………………………….…. 8

5. Другие области применения фуллеренов…………….……. 8

Углеродные нанотрубки……………………………………………… 11

1. Классификация……………………………………………… 11

1.1 Одностенные нанотрубки……………………………. 11

1.2 Многостенные нанотрубки………………………….. 11

2. История открытия……………………………………………. 12

3. Метод получения……………………………………………... 13

4. Перспективные сферы применения нанотрубок…………… 15

5. Применение в наноробототехнике………………………….. 16

Графен………………………………………………………………….. 19

1. Методы получения…………………………………………… 21

1.1 Механический…………………………………………. 21

1.2 Химический……………………………………………. 21

2. Перспективы применения…………………………………….. 22

Графан…………………………………………………………………… 24

Список литературы……………………………………………………... 26

Введение

 

Возникшая в середине прошлого столетия полупроводниковая электроника стала одним из самых крупных достижений XX века. К концу столетия полупроводниковая электроника в определённой мере трансформировалась в микроэлектронику. Основные изделия микроэлектроники — интегральные схемы, микропроцессоры, запоминающие устройства — стали основой информационной техники, бытовой электроники, медици­ны, автомобилестроения, авиации и т. д.

В настоящее время существует множество перспективных материалов и нанораз­мерных структур для создания компонентов электронной техники. Такими структурами, в первую очередь, являются двумерные структуры в виде слоев наноскопических разме­ров, одномерные – квантовые нити или провода, и нульмерные – квантовые точки. В ка­честве современных нанокомпонентов электроники могут использоваться различные по своим физическим и химическим свойствам структуры и наноматериалы. Это, как пра­вило, различные по составу вещества, имеющие различные химические связи и строение кристаллической решетки, а также некристаллические соединения и биообъекты – ну­клеиновые кислоты, протеины, вирусы, клетки.

Углерод является химическим элементом IV группы и, как и кремний, проявляет полупроводниковые свойства. Однако до недавнего времени была известна одна полу­проводниковая модификация углерода — алмаз, огромная твёрдость которого делала об­работку крайне тяжёлой и применение в полупроводниковой техники невыгодным. Те­перь же благодаря исследованиям в химии и физике твёрдого тела стали известны такие формы углерода, как фуллерены, нанотрубки и графен, образующие наноразмерные структуры.

Наноуглеродная наука носит междисциплинарный характер. Использование наноматериалов в последнее время приобретает все более широкий характер. Применение их в вакуумной электронике, также очень необходимо из-за того что наноматериалы обладают качественными параметрами и характеристиками. Размеры вакуумных приборов уменьшаются, а прочность увеличивается.

Действительно, изучение фуллеренов открывает пути для построения новых материалов с заданными свойствами.

 

Фуллерен

Фуллерен – это материальная частица с размером около трети нанометра (трети миллионной доли миллиметра). Фуллерен является формой углерода. С давних пор известны такие формы углерода – графит, и алмаз. Графит, и алмаз – один и тот же химический элемент - углерод.. Отличаются графит и алмаз расположением атомов углерода в кристаллической решетке.

В 1967 году в Институте элементоорганических соединений АН СССР была синтезирована третья форма углерода – карбин, состоящая из линейных, палочкоообразных молекул углерода.

В 1973 году Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн в России, а несколько ранее Е. Осава в Японии на основании квантохимических расчетов предсказали существование шаровидных молекул углерода – карбододекаэдра С20, и карбо-s-икосаэдра – С60.(возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР)
Также было предсказано, что они должны быть устойчивыми, и химически стабильными. В 1985 году Н. В. Крото, Р. Ф. Керл, Р. Е. Смолли смоделировали, и открыли существование таких шаровидных молекул при испарении графита при температуре 10000 С под действием лазера в струе гелия. Эти молекулы из шестидесяти, и семидесяти атомов углерода - С60, и С70, были названы фуллеренами в честь американского инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который впервые построил геодезический купол, состоящий из шести - и пятиугольников. За дальнейшие исследования фуллеренов Н. В. Крото, Р. Ф. Керлу, и Р. Е. Смолли в 1996 году была присуждена Нобелевская премия. Существует много видов фуллеренов. В настоящее время фуллерены принято обозначать следующим образом – фуллерен С60, С70, С80, С240, С540, и т. д. (индекс-число атомов углерода). Наиболее широко известен фуллерен С60. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечал. В 1990 г. П. Кретчмер и Д. Хаффман предложили и разработали метод получения фуллеренов путём испарения графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия. Кроме молекул С60 и С70 при этом образуется большой спектр других углеродных шаровидных молекул с большей массой. Дальнейшие исследования показали, что фуллерены можно выделить из конденсированных продуктов испарения графита путем экстрагирования ароматическими растворителями, например, бензолом, толуолом или ксилолом. Кроме того, их можно выделить сублимацией в вакууме при температурах 450-600 С.

После разработки простых способов получения фуллеренов в достаточных для исследования количествах начался “фуллереновый бум”. Поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос. Во многих странах имеются научно-технические программы по фуллеренам. Наука о фуллеренах – фуллереноведение необычайно быстро прогрессирует.

В настоящее время на Западе налажено производство фуллеренов и углеродных наноматериалов на их основе, созданы специализированные фирмы. Средства, вложенные в исследования фуллеренов и организацию их производства, окупаются достаточно быстро.

Получение фуллеренов

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой60 Гц, величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10-20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т. е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи., в нем содержится до 10%фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%).Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга». В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно по сравнению с другими атомами «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 100 Тор. При более высоких давлениях агрегация фрагментов углерода затруднена.

Фуллерен как фоторезист

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Благодаря своему строению, исключительной механической прочности и уникальным электрическим характеристикам, углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для формирования наноэлектрических схем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), а также для наноробототехники.

Классификация нанотрубок

 

Одностенные нанотрубки

Структура одностенных (single-walled) нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки схиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С-С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.

Многостенные нанотрубки

Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур на рис. характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

Реализация той или иной структуры многостенных нанотрубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера. В пользу такой модели говорят, например, факты по интеркалированию калия или хлорида железа в «межтрубочное» пространство и образование структур типа «бусы»

История открытия

Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г., существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов", при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной форм углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др., вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования одностенных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости.

Метод получения

В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком.

В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1: 4 при температуре 750?C в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки — дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.

Графен

Графен - плоский слой sp2-гибридных атомов углерода толщиной в один атом, образующих гексагональную решетку; двумерная форма углерода.

Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскоп для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.

В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

Методы получения

Механический

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм).Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света или измерением квантового эффекта Холла. Используя электронную литографию и реактивноеплазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Химический

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Для начала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида.

Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.

Перспективы применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 см²·В−1·с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 мкм × 1 мкм использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе теоретически исследуется влияние различных примесей (использованных в отмеченном выше эксперименте) на проводимость графена. Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг)

Недавно был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC). Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

Графан

Новый материал, теоретическое предположение о существовании которого было выдвинуто давно, создали ученые из Манчестерского университета. Графан, как его назвали исследователи, открывает широкие перспективы перед наноэлектроникой и водородной энергетикой.

В микроэлектронике давно используется материал под названием графен, который обладает замечательными полупроводниковыми средствами и может хранить информацию. Однако ограниченные полупроводниковые функции не позволят широко применять графен в электронике. Он не способен превращаться в стабильный диэлектрик, а значит идеально ровный и сверхпрочный материал не может быть использован для создания электронных схем.

Теоретическое решение проблемы предложили давно. Ученые рассчитали, что если к каждому атому углерода в графеновой решетке присоединить атом водорода, то получится отличный диэлектрик. Кроме того, он может послужить для надежного и долговременного хранения водорода, необходимого для дальнейшего развития водородной энергетики. В 2004 году потенциальная стабильность нового материала была доказана, однако ни одна попытка синтезировать графан в лабораторных условиях не увенчалась успехом. Для присоединения водорода к графену потребовалась очень высокая температура, которая побочно разрушает кристаллическую структуру материала. Но ученые из Манчестерского университета применили электрический импульс и добились-таки своего.

Полученный материал – графан решает сразу две проблемы. В наноэлектронике он позволяет создавать печатные схемы прямо на листе материала – для прорисовки контактных дорожек достаточно испарить водород в заданном месте при помощи лазера. Кроме того, графановые листы могут послужить отличным хранилищем водорода для целей энергетики. Возможно, именно на них будут построены топливные элементы нового поколения. Первые испытания графана в наноэлектронике дали повод для оптимистических оценок. Не исключено, что уже в ближайшем будущем компьютерные процессоры будут делать не из стандартного кремния с примесями, а из графановых пластин, что приведет к сокращению энергопотребления и уменьшит выброс излишнего тепла.

Сегодня размышления о применении графана находятся на начальном этапе. Перспективы его использования в микро- и наноэлектронике пока не до конца изучены, однако у ученых появились вполне осознанные мысли о новых топливных технологиях на основе графана. Огромная плотность атомов водорода в графане привлекает внимание ученых с целью разработки графеновых хранилищ водорода. Таким образом, графан является новым
перспективным материалом в нанотехнологиях, что требует его глубокого теоретического и экспериментального исследования.

 

 

 

Список литературы

 

1. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века, П.Н. Дьячков // Природа № 11, 2000 г.

 

2. Carbon nanotube arrays on silicon substrates and their possible application, Shoushan Fan et al. // Physica E 8 (2000) 179-183

 

3. Статья графен из Википедии, свободной энциклопедии. Доступно под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alikа

 

4. Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005)
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. — 2001.

6. Ерин Юрий. При взаимодействии с водородом графен превращается в графан [Электронный ресурс] URL:
http://elementy.ru/novosti_nauki/431012/Pri_vzaimodeyst vii_s_vodorodom_grafen_prevrashchaetsya_v_grafan
7. Российский электронный наножурнал
(нанотехнологии и их применение) // Графан -диэлектрик на основе графена [Электронный ресурс] URL:
http://www. nanorf.ru/events. aspx?cat_id=223&d_no= 119 7&print=1&
back_url=%2Fevents.aspx%3Fcat_id%3D223%26d_no%
3D1197
8. Л. Опенов. Графен. Плохие новости для графона. [Электронный ресурс] URL: Международный Научный Институт “Educatio” VIII(15), 2015 135 __ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2011/11_15_16/perst.htm
9. Запороцкова И.В., Прокофьева Е.В. Исследование влияния краевой функционализации на процессы капиллярного заполнения углеродных
нанотрубок водородом // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2009. Т. 12. № 4. С. 107- 111.

Содержание

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

Фуллерен...…………………………………………………………….. 5

1. Получение фуллеренов…………………………….……….. 6

2. Фуллерен как материал для полупроводниковой

техники …………………………………………….………….7

3. Фуллерен как фоторезист………………………….……….. 8

4. Фуллереновые добавки для роста алмазных

плёнок методом CVD…………………………………….…. 8

5. Другие области применения фуллеренов…………….……. 8

Углеродные нанотрубки……………………………………………… 11

1. Классификация……………………………………………… 11

1.1 Одностенные нанотрубки……………………………. 11

1.2 Многостенные нанотрубки………………………….. 11

2. История открытия……………………………………………. 12

3. Метод получения……………………………………………... 13

4. Перспективные сферы применения нанотрубок…………… 15

5. Применение в наноробототехнике………………………….. 16

Графен………………………………………………………………….. 19

1. Методы получения…………………………………………… 21

1.1 Механический…………………………………………. 21

1.2 Химический……………………………………………. 21

2. Перспективы применения…………………………………….. 22

Графан…………………………………………………………………… 24

Список литературы……………………………………………………... 26

Введение

 

Возникшая в середине прошлого столетия полупроводниковая электроника стала одним из самых крупных достижений XX века. К концу столетия полупроводниковая электроника в определённой мере трансформировалась в микроэлектронику. Основные изделия микроэлектроники — интегральные схемы, микропроцессоры, запоминающие устройства — стали основой информационной техники, бытовой электроники, медици­ны, автомобилестроения, авиации и т. д.

В настоящее время существует множество перспективных материалов и нанораз­мерных структур для создания компонентов электронной техники. Такими структурами, в первую очередь, являются двумерные структуры в виде слоев наноскопических разме­ров, одномерные – квантовые нити или провода, и нульмерные – квантовые точки. В ка­честве современных нанокомпонентов электроники могут использоваться различные по своим физическим и химическим свойствам структуры и наноматериалы. Это, как пра­вило, различные по составу вещества, имеющие различные химические связи и строение кристаллической решетки, а также некристаллические соединения и биообъекты – ну­клеиновые кислоты, протеины, вирусы, клетки.

Углерод является химическим элементом IV группы и, как и кремний, проявляет полупроводниковые свойства. Однако до недавнего времени была известна одна полу­проводниковая модификация углерода — алмаз, огромная твёрдость которого делала об­работку крайне тяжёлой и применение в полупроводниковой техники невыгодным. Те­перь же благодаря исследованиям в химии и физике твёрдого тела стали известны такие формы углерода, как фуллерены, нанотрубки и графен, образующие наноразмерные структуры.

Наноуглеродная наука носит междисциплинарный характер. Использование наноматериалов в последнее время приобретает все более широкий характер. Применение их в вакуумной электронике, также очень необходимо из-за того что наноматериалы обладают качественными параметрами и характеристиками. Размеры вакуумных приборов уменьшаются, а прочность увеличивается.

Действительно, изучение фуллеренов открывает пути для построения новых материалов с заданными свойствами.

 

Фуллерен

Фуллерен – это материальная частица с размером около трети нанометра (трети миллионной доли миллиметра). Фуллерен является формой углерода. С давних пор известны такие формы углерода – графит, и алмаз. Графит, и алмаз – один и тот же химический элемент - углерод.. Отличаются графит и алмаз расположением атомов углерода в кристаллической решетке.

В 1967 году в Институте элементоорганических соединений АН СССР была синтезирована третья форма углерода – карбин, состоящая из линейных, палочкоообразных молекул углерода.

В 1973 году Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн в России, а несколько ранее Е. Осава в Японии на основании квантохимических расчетов предсказали существование шаровидных молекул углерода – карбододекаэдра С20, и карбо-s-икосаэдра – С60.(возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР)
Также было предсказано, что они должны быть устойчивыми, и химически стабильными. В 1985 году Н. В. Крото, Р. Ф. Керл, Р. Е. Смолли смоделировали, и открыли существование таких шаровидных молекул при испарении графита при температуре 10000 С под действием лазера в струе гелия. Эти молекулы из шестидесяти, и семидесяти атомов углерода - С60, и С70, были названы фуллеренами в честь американского инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который впервые построил геодезический купол, состоящий из шести - и пятиугольников. За дальнейшие исследования фуллеренов Н. В. Крото, Р. Ф. Керлу, и Р. Е. Смолли в 1996 году была присуждена Нобелевская премия. Существует много видов фуллеренов. В настоящее время фуллерены принято обозначать следующим образом – фуллерен С60, С70, С80, С240, С540, и т. д. (индекс-число атомов углерода). Наиболее широко известен фуллерен С60. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечал. В 1990 г. П. Кретчмер и Д. Хаффман предложили и разработали метод получения фуллеренов путём испарения графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия. Кроме молекул С60 и С70 при этом образуется большой спектр других углеродных шаровидных молекул с большей массой. Дальнейшие исследования показали, что фуллерены можно выделить из конденсированных продуктов испарения графита путем экстрагирования ароматическими растворителями, например, бензолом, толуолом или ксилолом. Кроме того, их можно выделить сублимацией в вакууме при температурах 450-600 С.

После разработки простых способов получения фуллеренов в достаточных для исследования количествах начался “фуллереновый бум”. Поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос. Во многих странах имеются научно-технические программы по фуллеренам. Наука о фуллеренах – фуллереноведение необычайно быстро прогрессирует.

В настоящее время на Западе налажено производство фуллеренов и углеродных наноматериалов на их основе, созданы специализированные фирмы. Средства, вложенные в исследования фуллеренов и организацию их производства, окупаются достаточно быстро.

Получение фуллеренов

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Испол<