Budoucnost patří uhlíkatým nanomateriálům Otakar Frank Oddělení elektrochemických materiálů Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, v.v.i. Akademie věd ČR otakar.frank@jh-inst.cas.cz www.nanocarbon.cz
Nanoúvod There's Plenty of Room at the Bottom - Richard P. Feynman
Nanoúvod Lykurgovy poháry využití nanotechnologie ve 4. století n.l. 70 nm částice slitiny Au-Ag ve skle > v odraženém světle má sklo zelenou barvu, v průchozím odstíny červené
Nanoúvod Co je/jsou nanotechnolgie? 1) manipulace s látkami na atomové/molekulární úrovni 2) manipulace s látkami, jejichž alespoň jeden rozměr je menší než 100nm (přibližně) 3) správně by se horní hranice nanorozměru měla odvozovat od změny chování materiálu, který díky zejména kvantovým jevům získává vlastnosti odlišné od mikro-, makro- 4) shrnující pojem - zasahují do fyziky, chemie, biologie, materiálových věd...
C makro diamant grafit chaoite (carbyn)? hybridizace sp 3 hybridizace sp 2 hybridizace sp 1
C sp 2 3D grafit sp 2 modifikace 2D graphene 1D nanotuby 0D fullereny pouze teoreticky až do 2004 známy od 1950 oficiálně Ijima 2001 Kroto et al 1985
nano C fullereny C 60 fullerene (buckminsterfullerene) Fullerene: Nobel Prize Kroto, Smalley, Curl (1996)
nano C fullereny C 2n, n>9 kromě 11 endohedrální: X@C yz X He, N 2, lanthanoidy atd. mohou být i non-ipr, a přesto stabilní na podobném principu nosiče léčiv
nano C grafen grafen grafenové nanopásky (nanoribbons, GNR)
nano C nanotrubičky nanotubu je možné si představit jako sbalený list grafenu (pozor, takto NT nevzniká!)
nano C nanotrubičky nanorohy průměr od 0.5 nm různé chirality polovodivé / kovové dvojstěnné svazky ( bundles ) mnohostěnné
nano C peapody molekuly fullerenů uzavřené v nanotubě stejně tak možno jiné molekuly (PAH, karotenoidy...)
grafen historie
grafen historie 1930 2D materiály byly považovány za termodynamicky nestabilní a předpokládalo se, že proto nemohou existovat (Peierls 1935, Landau 1937) 1950-1960 - přestože byl grafen studován teoreticky jako základní jednotka různých uhlíkatých materiálů, stále zůstával pouze akademickým předmětem zájmu 1980-1990 - první pokusy o izolaci grafenu chemickou exfoliací pomocí interkalace a následným záhříváním za vysokého tlaku - - byly špatně kontrolovatelné, suspenze byly směsy různých grafitických částic, interkalovaných atomů atd. 1990-2000 - první pokusy o přímou syntézu vedly také k mnoha vrstvám
grafen historie + = Geim & Novoselov, Manchester Uni
grafen je vidět? Si/SiO 2 (300nm)
grafen je vidět? Si/SiO 2 (300nm) PMMA/SU8(200nm)
grafen je vidět? každá vrstva grafenu pohltí přesně 2.3% dopadajícího světla grafen je možné pozorovat pouhým okem na vhodné podložce
grafen chemická metoda +/- umožnuje přípravu velkých množství levná celkem jednoduchá může být adaptována pro průmysl vznik defektů, funkcionalizace pouze malé vrstvy agregace kontaminace mnohovrstevným grafitem
grafen příprava - syntéza katalytická depozice chemických par zdrojem uhlíku metan nebo jiný jednoduchý uhlovodík grafen vzniká na kovové podložce v peci (měď, nikl, platina apod.)
grafen CVD @ Ni uhlík se nejdříve rozpustí v niklu při ochlazování se na povrchu vytváří vrstvy (věšinou 1-3) obtížně kontrolovatelné
grafen CVD @ Cu na rozdíl od niklu, uhlík je v mědi málo rozpustný grafen vzniká přímo na povrchu při teplotě okolo 950-1000 C když dojde povrch, růst se zastaví
grafen přenos graphene Cu PMMA graphene Cu PMMA graphene PMMA spincoating Cu etching PMMA dissolution (acetone / ht) PMMA graphene SiO 2 Si transfer to desired substrate PMMA dissolution (acetone / ht) graphene SiO 2 Si
grafen přenos
grafen 30
grafen bottom-up chemická cesta (K. Müllen, MPI Mainz)
GNR příprava litografie elektronovým svazkem (E-beam) rozbalení nanotrubičky nanovrásy nanodrátky (Si) jako masky pro odleptání
nanotrubičky příprava laserová ablace elektrický oblouk CVD
identifikace / charakterizace
identifikace / charakterizace
Atomic Force Microscopy AFM (mikroskopie atomárních sil) identifikace / charakterizace
Scanning Tunneling Microscopy STM identifikace / charakterizace
Scanning Electron Microscopy SEM identifikace / charakterizace
Transmission Electron Microscopy TEM identifikace / charakterizace
grafen vlastnosti elektronické: balistický transport na vzdálenosti stovek mikrometrů i při pokojových podmínkách vysoká mobilita nosičů náboje (x0 000 cm2/vs at RT) odolnost vůči procházejícímu proudu (~10 9 A/cm 2 ) mechanické - nejpevnější existující materiál Youngův modul ~1TPa, pevnost 130 GPa nejvyšší tepelná vodivost: 5000 W/mK umožnuje studium kvantově elektrodynamických jevů v běžných laboratorních podmínkách
grafen grafen modul pružnosti
grafen pevnost grafen
grafen vlastnosti Jediná vrstva grafenu unese například kočku (okolo 4 kg) Na protržení filmu z grafenu o tloušťce potravinové folie by bylo zapotřebí slona balancujícího na tužce
grafen tepelná vodivost
grafen tepelná vodivost
nanotrubičky (a GNR) vlastnosti chirální vektor C h = na 1 + ma 2 a 1, a 2. jednotkové vektory hexagonální struktury definice nanotuby (n,m) židličková (n=m) chová se vždy jako kov cik-cak obecně pokud n-m je dělitelné 3 kov n-m není dělitelné 3 polovodič chirální vše ostatní
nanotrubičky (a GNR) vlastnosti židličková (1 0, 1 0) (0,0) a 2 a 1 y x C h = (10,10)
nanotrubičky (a GNR) vlastnosti cik- cak (1 0, 0) (0,0) C h = (10,0) a 2 a 1 y x
nanotrubičky (a GNR) vlastnosti chirální (1 0, 5) (0,0) C h = (10,5) a 2 a 1 y x
nanotrubičky (a GNR) vlastnosti cik-cak (polovodivé) židličkové (kovové) density of states (DOS) unikátní vlastnosti vyplývající z 1-D struktury van Hove singularities (vhs) nejen, že se odlišují kovové od polovodivých, ale každá (n,m) má jiné vlastnosti!
nanotrubičky aplikace Separace každá chiralita má jinou barvu
nanotrubičky aplikace Separace typů (polovodivé vs. kovové) i jednotlivých chiralit transistory spoje Infineon, IBM...
vlákna aplikace - kompozity
nanotrubičky aplikace - kompozity Nejen studie a prototypy...ale již i existující výrobky
nanotrubičky vlastnosti - aplikace vesmírný výtah 35 000 km
grafen aplikace pevnost + vodivost + průhlednost ohebné displeje solární články Samsung...
grafen aplikace velká plocha povrchu + vodivost (elektrická i tepelná) tzv. superkondenzátory (uložená energie na jednotku hmotnosti blízko k bateriím, ale výrazně rychlejší dostupnost) Maxwell...
grafen aplikace tištěná elektronika (Vorbeck Materials, Angstron Materials + XG Sciences) sekvenace DNA
grafen aplikace terahertzová detekce (Cambridge)
grafen aplikace nanoelektronika nutno nejdříve otevřít zakázaný pás prototypy dosahují bez problémů větších rychlostí než křemíkové FET
grafen aplikace sensory změna procházejícího proudu při sorpci molekuly plynu (využití vodivosti a velkého povrchu) Ko et al. 2010 projekt TA ČR: TESLA Blatná + ÚFCh JH + ZČU + Centrum organické chemie
neuhlíkové 2D materiály MoS 2 (Kis et al.) polovodič transistory BN izolant (vhodný např. pro grafenové FET)
nanotrubičky nano-robot: DWCNT + rotor Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
nanotrubičky nano-robot: DWCNT + rotor SEM image Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
sci-fi? Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley
grafen identifikace / charakterizace Ramanova mikrospektroskopie počet vrstev kvalita (defekty atp.) mechanické napětí nabíjení
grafen na ÚFCh mechanika ν Poisson s ratio Ramanova spektroskopie, AFM míra deformace, jevy při kompresi, ovlivnění elektronové struktury atd.
grafen na ÚFCh mechanika nanovrásy AFM
grafen na ÚFCh vznik příprava CVD zkoumání růstu grafenu a jeho vlastností pomocí izotopového značení
grafen na ÚFCh nanoelektronika sandwichové struktury např. pro nový koncept transistorů (BISFET, představeny IBM 2009)