НАНОКОМПОЗИТ

Полезная модель относится к созданию нанокомпозита на основе одностенной углеродной нанотрубки, имеющего заданную геометрию.
Известно, что одностенные углеродные нанотрубки имеют ряд замечательных физических свойств, таких как высокая прочность, большая удельная поверхность, высокая электро- и теплопроводность, что делает их перспективным материалом для производства компонентов наноэлектроники.
Вместе с тем, использование одностенных углеродных нанотрубок для создания изделий или для их исследования, существенно ограничено, а в ряде случаев невозможно, в связи с трудностями работы с одностенными трубками, диаметр которых чрезвычайно мал и составляет, как правило, 1.3-2 нм. Кроме того, одностенные нанотрубки, полученные методом электродугового каталитического синтеза имеют длину всего несколько десятков микрон. В связи с этим, несмотря на то, что одностенные углеродные нанотрубки были открыты в 1992 году, первоначальные ожидания их быстрого использования в нанотехнологиях пока не оправдались.
Известны короткие многостенные углеродные нанотрубки, имеющие диаметр 2-5 нм и длину 0,1-1,0 мкм. (Патент RU 2309118, «Короткие углеродные нанотрубки», МПК С01В 31/02, В82В 3/00, опубликовано 27.10.2007 г.).
Недостатком таких трубок является то, что, несмотря на сравнительно большой диаметр, их длина крайне мала (всего до 1,0 нм.), что делает использование таких многостенных углеродных нанотрубок для создания изделий наноэлектроники практически невозможным в связи с трудностями манипулирования с ними. Кроме того, трубки являются многостенными и не обладают замечательными физическими свойствами одностенных трубок.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание нанокомпозита, содержащего одностенную углеродную нанотрубку, которая снаружи охватывается слоем пироуглерода, выполняющим защитную и армирующую функцию, и при относительно большом диаметре углеродной нанотрубки (2-5 нм.) имеет высокое значение величины отношения длины к диаметру (более 10000), благодаря чему может быть достигнута длина нанотрубки до нескольких миллиметров.
Техническим результатом является получение нанокомпозита типа «одностенная углеродная нанотрубка@пироуглеродное покрытием Такой нанокомпозит может быть использован в качестве элементов наноэлектроники, полевых эмиттеров, сенсоров для атомно-силовой микроскопии, для создания ионной нанопушки. В случае необходимости разработана методика локального удаления слоя пироуглерода. Доказана возможность кристаллизации в канале внутренней одностенной трубки одномерных кристаллов различных соединений, в результате чего формируется тройной нанокомпозит.
Поставленная техническая задача и требуемый технический результат достигаются тем, что в нанокомпозите, содержащем одностенную углеродную нанотрубку, одностенная углеродная нанотрубка расположена по оси нанокомпозита и заключена внутри внешней оболочки, имеющей структурную организацию, характерную для пироуглерода, причем эта оболочка состоит из небольших пачек концентрически расположенных графеновых листов, которые ориентированы вдоль оси нанокомпозита, а отношение длины одностенной углеродной нанотрубки к ее диаметру составляет более 10000. Диаметр оболочки по его длине сохраняется постоянным и лежит в диапазоне 30-150 нм. При этом диаметр одностенной углеродной нанотрубки находится в пределах от 2 до 5 нм, а ее длина достигает 5 мм. Окончание нанокомпозита может иметь вид острого конуса с радиусом закругления 4-5 нм или вид полусферы с радиусом, равным радиусу нанокомпозита.
Существо предлагаемой полезной модели поясняется на фигурах.
На фиг.1 представлена схема установки для получения нанокомпозита.
На Фиг.2. приведена схема процессов роста и формирования нанокомпозита структуры ОСНТ@ПУ (одностенная нонотрубка с пироуглеродной оболочкой, где:
(a) каталитический (с основания) процесс нуклеации ОСНТ;
(b) некаталитической рост ОСНТ и конденсации углерода на ней;
(c) процесс продолжается на внешней части НТ;
(d) все ростовые процессы остановлены, ОСНТ закрывается шапкой и формируются округлые окончания.
На Фис.3. приведена микрофотография фрагмента нанокомпозита ОСНТ@ПУ в просвечивающем электронном микроскопе.
На Фиг.4 приведена микрофотография, иллюстрирующая пироуглеродную природу внешнего слоя нанокомпозита.
На Фиг.5. и рис.6 приведены фотографии, иллюстрирующие наличие в центральной части нанокомпозита одностенной углеродной нанотрубки.
Выращивание нанокомпозита может производиться в установке (фиг.1), содержащей газовые баллоны 1 (с различными газами), которые через вентили 2 и расходомеры 3 подключены к смесителю 4. Последний гидравлически соединен с реактором 5, нагрев которого обеспечивается электропечью 6. Полость реактора 5 через вакуумный вентиль 2 подключена к вакуумному насосу 7. Внутри реактора 5 размещена кварцевая лодочка 8, в которой размещают исследуемые образцы. Вакуумный насос используется для вакуумирования системы перед началом работы установки.
Рост нанокомпозита заданной структуры был реализован в описанной установке следующим образом. В середину изотермической зоны реактора 5, которая составляла около 80 мм, помещали кварцевую лодочку 8 с пластинами-подложками. На последние наносился катализатор, например микрочастицы щавелевокислого железа. Нанесение катализатора производится распылением или испарением тонкой пленки раствора с горячей поверхности пластины-подложки. В результате на поверхности подложки образуется тонкий слой частиц катализатора с размером частиц от сотых до десятых долей микрометров. В качестве подложки возможно применение пластин из кварца, кремния, искусственного графита или сапфира. Лодочку с пластиной-подложкой устанавливают в реактор 5 и включают электропечь 6. Одновременно с этим из одного из баллонов 1 начинают подачу в реактор 5 аргона (движение газа показано стрелками). По достижении в реакторе 5 температуры в диапазоне 1000°С-1100°С подачу аргона прекращают и в реактор подают углеродосодержащую газовую смесь, например смесь метана с водородом, которая образуется в смесителе 4 при поступлении в него отдельных газов из баллонов 1. Подача смеси производится в течение 5-15 минут. Затем подачу смеси прекращают, а ее остатки вытесняют из реактора, подавая в него аргон. Манипулирование газовыми потоками и замер их расходов осуществляется с помощью вентилей 2 и расходомеров 3, соответственно. Одновременно с началом повторной подачи аргона в реактор 5 электропечь 6 выключают и осуществляют его постепенное охлаждение до комнатной температуры. Далее из реактора 5 извлекают лодочку с подложкой, которая передается в лабораторию для последующего исследования.
Схема процесса выращивания нанокомпозита иллюстрируется на фиг.2. Вначале с участием каталитической частицы происходит зарождение и рост однослойной углеродной нанотрубки (а). Рост нанотрубки показан с вершины. Далее происходит увеличение длины нанотрубки (b, с), длина стрелок пропорциональна скорости линейного роста волокна в направлении стрелки. После завершения стадии быстрого роста нанотрубки происходит капсулирование ее конца (d). В дальнейшем происходит медленный рост в режиме образования оболочки из пироуглерода. Полученные образцы нанокомпозита были изучены с применением с просвечивающего электронного микроскопа и высокоразрешающего электронного микроскопа. Некоторые результаты исследований нанокомпозита показаны на фиг.3-6. На Фиг.3 показана микрофотография фрагмента нанокомпозита ОСНТ@ПУ в просвечивающем электронном микроскопе. Наблюдаются округлое окончание вверху и сломанное окончание внизу. Вдоль оси нанокомпозита проходит одностенная углеродная нанотрубка, канал которой наблюдается по всей длине нанокомпозита. Видно, что внешний диаметр нанокомпозита сохраняется равномерным по всей длине.
Природа внешнего слоя нанокомпозита, образующего его оболочку, видна на фиг.4. Здесь приведена микрофотография, иллюстрирующая пироуглеродную природу внешнего слоя нанокомпозита. На увеличенных участках А, В, С, показанных в верхней части вместе с соответствующими трансформантами Фурье, можно наблюдать структуру пироуглерода.
Наличие в центральной части нанокомпозита одностенной углеродной нанотрубки иллюстрируется на фиг.5 и фиг.6 На фиг.5 представлено полученное на высокоразрешающем электронном микроскопе с энергией электронов 400 кэВ изображение сломанных окончаний нанокомпозита (варианты «а», «б» и «в»). Внешняя пироуглеродная оболочка завернута, на каждом из вариантов видна одностенная углеродная нанотрубка, выступающая из сломанного окончания.
Хорошо видна структура ОСНТ и то, что они образованы одиночным графеновым слоем, свернутым в цилиндр. Диаметр ОСНТ в составе нанокомпозитов несколько больше, чем у ОСНТ, полученным электродуговым каталитическим методом и составляет 3-5 нм.
Подтверждена большая величина соотношения между длиной нанокомпозита и ее диаметром, которая может превышать 10000.