Термоэлектродвижущая сила углеродных нанотрубок

• Автор: Мавринский, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 114 с. : ил.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И СВОЙСТВАХ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОТРУБОК
1.1. Структура углеродных нанотрубок
1.1.1. Краткие сведения о синтезе нанотрубок
1.1.2. Геометрическое строение нанотрубок
1.1.3. Образование и стандартные дефекты углеродных нанотрубок
1.2. Модели электронного строения углеродных нанотрубок
1.2.1. Электронная структура графенового листа
1.2.2. Модели, основанные на двумерном приближении
1.2.3. Модели с постоянной эффективной массой
1.2.4. Модели л-зон в нанотрубках
1.2.5. Энергия Ферми (химический потенциал) углеродных нанотрубок
1.3. Электрофизические свойства углеродных нанотрубок
1.3.1. Удельное электросопротивление
1.3.2. Термоэдс
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
2.1. Характеристика образцов, методика расчета коэффициента тэдс и описание экспериментальной установки
2.1.1. Характеристика образцов углеродных депозитов и нанотрубок
2.1.2. Описание установки и методики измерений
2.1.3. Методика моделирования коэффициента термоэдс углеродных нанотрубок
2.2. Основные результаты экспериментального изучения коэффициента термоэдс
нанотрубок
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ И ТЭДС УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
3.1. Описание предлагаемой модели
3.1.1. Общий подход
3.1.2. Температурная зависимость химпотенциала
3.1.3. Учет особенностей электронного строения углеродных нанотрубок
3.2. Результаты расчетов температурной зависимости термоэдс
3.2.1. Термоэдс монослоя графита
3.2.2. Термоэдс углеродных нанотрубок
3.2.3. Сопоставление с экспериментом
3.3 Обсуждение результатов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы. Конденсированный углерод имеет несколько аллотропных форм. Среди них графит и графитоподобные материалы занимают особое место, поскольку являются наиболее термодинамически устойчивыми при нормальных условиях.
Углеродные нанотрубки, впервые синтезированные японским ученым Ижимой [1] в 1991 году, относятся к классу графитоподобных материалов. Однако особое каркасное строение цилиндрической формы придает им индивидуальные свойства, существенно иные, чем свойства графита.
Углеродные нанотрубки образуются в результате физико-химических превращений углеродсодержащих материалов при повышенных температурах. Условия, способствующие подобным превращениям, весьма разнообразны. Соответственно этому разнообразен и набор методов, используемых для получения нанотрубок. Обзор этих методов представлен в работах [2, 3, 4]. Теоретическое же обоснование образования и роста углеродных нанотрубок рассматривается в [5, 6]. Предполагается, что рост нанотрубки вызывают атомы углерода или кластеры, осаждающиеся из газовой фазы на активных центрах растущих поверхностей. Различия заключаются лишь в самом способе образования активных центров.
В представляемом ниже диссертационном исследовании использован метод термоэлектродвижущей силы для изучения электронной подсистемы многослойных углеродных нанотрубок. Метод термоэдс выбран поскольку он информативен в научном плане и практически важен для целей современной наноэлектроники и микротеплотехники.
В последнее десятилетие физика конденсированного состояния перешла к исследованию систем наноскопического масштаба. Значительные результаты в этом направлении связаны с синтезом и всесторонними исследованиями относительно новой аллотропной формы конденсированного углерода - нанотрубок. Уникальные физико-химические свойства углеродных нанотрубок, такие как высокая термическая стойкость, механическая прочность, низкий коэффициент термического расширения, химическая стойкость в агрессивной среде, высокий коэффициент автоэмиссии и др. делают их привлекательными объектами и для прикладного использования. Среди наиболее интересных особенностей углеродных нанотрубок :В первую очередь можно назвать тесную связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками. В зависимости от угла ориентации графитовой плоскости, образующей нанотрубку, относительно ее оси, нанотрубка может либо обладать металлической проводимостью, либо иметь полупроводниковые свойства. При этом важная электронная характеристика полупроводящей нанотрубки, ширина запрещенной зоны (Ея), определяется ее геометрическими параметрами - хиральностью и диаметром. Тем самым углеродные нанотрубки представляют основу принципиально нового класса электронных устройств рекордно малых размеров.
Установлено, что нанотрубки весьма чувствительны к газовой атмосфере и способны изменять электрическое сопротивление и величину термоэлектродвижущей силы при адсорбции различных газов (кислорода, азота, гелия). На этой их способности разрабатываются химические сенсоры газов [7, 8]. Таким образом, термоэдс может выступать как метод анализа степени адсорбции (поглощения) углеродными нанотрубками различных газов. Существующая взаимосвязь термоэлектродвижущей силы со структурными параметрами нанотрубок позволяет использовать метод термоэдс для идентификации различных видов нанотрубок.
В настоящее время имеется обширный экспериментальный материал .по изучению электронной подсистемы углеродных нанотрубок. Результаты экспериментальных исследований однозначно указывают на чувствительность электронных характеристик (в том числе и тэдс) к степени совершенства и особенностям структуры этих материалов. Однако ряд важных как в научном, так и в прикладном значении вопросов изучен еще недостаточно полно. Это относится не только к экспериментальному исследованию углеласти низких температур характерна для простых металлов и описывается теорией Ферми-жидкости [97]. Зависимость же тэдс от давления в области высоких температур связывают с увеличением заселенности фононных состояний.
Выводы:
1. Электропроводность и тэдс углеродных нанотрубок являются важнейшими показателями, чувствительными к особенностям их атомного и электронного строения.
2. Температурные зависимости электросопротивления и тэдс при низких температурах имеют особенности, характерные для одномерных объектов. Эти особенности могут быть использованы для идентификации класса углеродных нанотрубок.
3. Подробное изучение электрофизических свойств нанотрубок может стать основой для создания практически важных электронных устройств нанометровых размеров.