SZÉN NANOSZERKEZETEK (FULLERÉNEK, SZÉN NANOCSÖVEK, GRAFÉN) előadás fizikus és kémikus hallgatóknak (2013. tavaszi félév – május 7.) Kürti Jenő ELTE Biológiai Fizika Tanszék e-mail: kurti@virag.elte.hu www: virag.elte.hu/kurti

Szén nanocsövek 2

SZÉNATOMOK HATSZÖGES RÁCSA EGY HENGERPALÁSTON KAVLI-DÍJ: 2008-BAN S.Iijima, Nature 354, 56 (1991) SZÉNATOMOK HATSZÖGES RÁCSA EGY HENGERPALÁSTON KAVLI-DÍJ: 2008-BAN HOSSZ 1–100 μm de már állítottak elő több mm hosszúságút is ! Hajszál vastagsága kb 50 mikron. Kb 50 ezerszer vékonyabb egy hajszálnál ! ÁTMÉRŐ 1–1,5 nm

SZÉN NANOCSÖVEK Példák. Hajszál: d kb 50 mikron, l kb 50 m ; kőolaj vezeték: d kb 1 m, l kb ezer km 4

Iijima méreteket szemléltető ábrája, egy előadáson (Royal Institute).

6

sokfalú (koncentrikus) szén nanocsövek felfedezése MWCNT sokfalú (koncentrikus) szén nanocsövek felfedezése (TEM) S.Iijima, Nature 354, 56 (1991) Iijima előadása a Royal Institute-ban (London) http://www.vega.org.uk/video/programme/71 7

8

SEM image of CNT synthesis using EasyTube System. Courtesy of Dr SEM image of CNT synthesis using EasyTube System. Courtesy of Dr. Jud Ready, Georgia Tech Research Institute. MWNT ? 9

Well oriented carbon nanotubes (MWCNTs) From: http://www.mfa.kfki.hu/nanodp/nanostr/detailed/results/2005/spray/index.html From: http://www.mfa.kfki.hu/nanodp/nanostr/detailed/results/2005/spray/index.html 10

From: http://www. mfa. kfki 11

TEM image of a MWCNT sample produced of octane From: http://www.mfa.kfki.hu/nanodp/nanostr/detailed/results/2005/spray/index.html From: http://www.mfa.kfki.hu/nanodp/nanostr/detailed/results/2005/spray/index.html 12

Történeti áttekintés I. Középkor: Damaszkuszi acél erősítése 1952: Radushkevich, Lukyanovich; Journal of Physical Chemistry (szovjet): 50 nm-es átmérőjű, üreges szénszálak bemutatása 1976: Oberlin, Endo, Koyama; nm-es szénszálak CVD-növesztése és vizsgálata elektronmikroszkóppal 1979: Arthur C. Clarke; The Fountains of Paradise (sci-fi), űrlift („folytonos, pszeudo 1 D-s gyémánt kristály”) 1985: Fullerén felfedezése (Kroto, Smalley, Curl) 1987: Tennent; szabadalom üreges grafitszálakra 1991: többfalú nanocsövek előállítása Kocsis Dorina kiselőadása alapján

Történeti áttekintés II. 1992: Első elméleti számítások az egyfalú nanocsövek elektromos tulajdonságaira 1993: egyfalú nanocsövek előállítása 1995, Svájc: téremissziós képesség bemutatása 1997: első nanocső-tranzisztor elkészítése 1998: első térvezérlésű nanocső-tranzisztor 2001: félvezető és vezető nanocsövek 2003: nanocső-tranzisztorok nagy méretű gyártása 2004: 4 cm-es (!) SWNT 2005: nanocsöves síkképernyők, Y-elágazás, elméleti határon működő diódák 2006: idegsejtek „javítása”, nanocsövek mozgatása, alkalmazás szénszálas kerékpárokban

SWCNT egyfalú nanocsövek előállítása +1% Ni , Co Thess et al., Science 273, 483 (1996) 15

5 nm 16

1,4 nm 17

Átmérőeloszlás Elrendezés vázlata

CVD (strongly varying depending on catalyst and growth conditions) Typical diameters for carbon nanotubes grown by different growth methods. σ is the standard deviation of a Gaussian diameter distribution. The length is categorized as short (below 100 nm), medium (100-1000 nm) and long (above 1μm). A special, ultralong case is the 4 cm nanotube. The “special” tubes types (HiPCo, CoMocat etc.) are all grown by CVD related processes. d (nm) σ (nm) length laser ablation 1.5 0.1 medium arc discharge 1.5 0.1 medium CVD (strongly varying depending on catalyst and growth conditions) HiPCo 1.0 0.2 medium CoMoCat 0.7 0.1 medium alcohol 0.7 0.1 medium zeolites 0.4 − short cm tubes 1.4 − ultralong supergrowth 2.0 1.0 long 19

CVD módszerrel történő előállítás (chemical vapor deposition) 10 nm 20

Iszik vagy vezet? alkoholban SEM image of 250 square, 130 micron tall blocks of aligned multi-wall nanotubes. 5 nm of Iron was evaporated with a shadow mask on porous silicon and grown at 700º C in Ethylene. SEM image of 250 square, 130 micron tall blocks of aligned multi-wall nanotubes. 5 nm of Iron was evaporated with a shadow mask on porous silicon and grown at 700º C in Ethylene. 21

(összehasonlításképpen: egy emberi hajszál átmérője körülbelül 60 mikrométer) 22

Patterned Growth Patterned catalyst gives selective growth Cambridge University Engineering Department 23

„SUPERGROWTH” vízben mat – szőnyeg, pillar - oszlop (c) Water-assisted CVD growth carbon nanotubes of high purity and length. The nanotube mat is shown next to the head of a matchstick. (d) A patterned substrate allows to grow carbon nanotubes in pre-defined places as shown with this SEM picture. The inset shows an expanded view of one of the pillars. 24

„SUPERGROWTH”

karosszék (armchair) cikk-cakk (zig-zag) királis (chiral) 26

akirális (karosszék) királis 27

Atomic structure of graphene, a planar structure in graphite. 28

Artistic view of a zig-zag carbon-nanotube-like structure submersed in the sea. Reminiscent of the might of the constructions of Mother Nature. 29

Szén nanocső (elvi!) származtatása grafit sík (grafén) feltekeréséből 30

31

32

(6,5) 6 5 slide from Ado Jorio, 2005 33

Wrapping (10,0) SWNT (zigzag) (0,0) Ch = (10,0) a1 a2 x y 34

Wrapping (10,0) SWNT (Animation) (0,0) Ch = (10,0) a1 a2 x y 35

Wrapping (10,10) SWNT (armchair) (0,0) Ch = (10,10) a1 a2 x y 36

Wrapping (10,10) SWNT (Animation) (0,0) Ch = (10,10) a1 a2 x y 37

Wrapping (10,5) SWNT (chiral) (0,0) Ch = (10,5) a1 a2 x y 38

Wrapping (10,5) SWNT (Animation) (0,0) Ch = (10,5) a1 a2 x y 39

Ch kiralitási („felcsavarási”) vektor 6 3 Ch = n·a1+m·a2 ; pl. (n,m)=(6,3) 40

Ch kiralitás („feltekerési”) vektor = n·a1 + m·a2 (10,10) akirális (karosszék) Ch kiralitás („feltekerési”) vektor = n·a1 + m·a2 a1 a2 (10,5) királis movies downloaded from homepage of Dr Shigeo Maruyama 41

PÁSZTÁZÓ ERŐ MIKROSZKÓP Atomic Force Microscope A schematic 3D description of an atomic force microscope (AFM). 42

AFM GRAFIT 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m = 0,000 000 000 1 m 43

AFM GRAFIT 44

Pásztázó alagútmikroszkóp (STM) felvételek egyfalú szén nanocsőről (11,7) 1,4 nm STM: fekete pötty = hatszög közepe UHV 300 STM single Wall Nanotube showing the chirality of the atomic lattice. Diameter of nanotube shown is 1.2nm. Courtesy of D. Carroll, Clemson U 45

46

Kiralitás-térkép

Kiralitás azonosítása HRTEM felvételen Hibahelyek

Alkalmazási lehetőségek kémiai szenzorok (funkcionalizálás) nanoelektronika: n-m osztható 3-mal  fémes a többi félvezető  nano-IC különleges mechanikai tulajdonságok: erős, könnyű, stabil, flexibilis 49