فولرن ها و نانولوله های کربنی نانولوله های کربنی، گرافن و غیره پارامترهای مشخصه نانولوله های تک جداره و چند جداره ایده آل

دسته دیگری از خوشه‌ها، سازندهای کربنی استوانه‌ای دراز بودند که بعداً پس از مشخص شدن ساختار آن‌ها به آنها « نانولوله های کربنی CNT ها مولکول های بزرگ و گاهی اوقات حتی فوق العاده بزرگ (بیش از 106 اتم) هستند که از اتم های کربن ساخته شده اند.

معمولی بلوک دیاگرام CNT تک جداره و نتیجه محاسبه کامپیوتری آن اوربیتال های مولکولیدر شکل نشان داده شده است. 3.1. در راس تمام شش ضلعی ها و پنج ضلعی ها که به صورت خطوط سفید نشان داده شده اند، اتم های کربن در حالت هیبریداسیون sp 2 وجود دارند. برای اطمینان از اینکه ساختار چارچوب CNT به وضوح قابل مشاهده است، اتم های کربن در اینجا نشان داده نشده اند. اما تصور آنها دشوار نیست. رنگ خاکستری ظاهر اوربیتال های مولکولی سطح جانبی CNT را نشان می دهد.

شکل 3.1

این تئوری نشان می دهد که ساختار سطح جانبی یک CNT تک جداره را می توان به عنوان یک لایه گرافیت در یک لوله تصور کرد. واضح است که این لایه را می توان فقط در آن جهتی که شبکه شش ضلعی در هنگام بسته شدن با خود تراز می شود تا کرد. سطح استوانه ای. بنابراین، CNT ها تنها دارای یک مجموعه قطر مشخص هستند و طبقه بندی می شوند توسطبردارهایی که جهت تا شدن شبکه شش ضلعی را نشان می دهند. هم ظاهر و هم تغییرات در خواص CNT ها به این بستگی دارد. سه گزینه معمولی در شکل 3.2 نشان داده شده است.

مجموعه ای از قطرهای ممکن CNT همپوشانی دارند محدودهاز کمی کمتر از 1 نانومتر تا چندین ده نانومتر. الف طول CNT ها می توانند به ده ها میکرومتر برسند. ضبط کنید توسططول CNT ها قبلاً از حد 1 میلی متر فراتر رفته است.

CNT های به اندازه کافی طولانی (زمانی که طولقطر بسیار بزرگتر) را می توان به عنوان یک کریستال یک بعدی در نظر گرفت. روی آنها می توان یک "سلول واحد" را تشخیص داد که بارها در امتداد محور لوله تکرار می شود. و این در برخی از خواص نانولوله های کربنی طولانی منعکس شده است.

بسته به بردار رول آپ لایه گرافیت (کارشناسان می گویند: "از کایرالیتهنانولوله‌ها می‌توانند هم رسانا و هم نیمه‌رسانا باشند. نانولوله‌های نانولوله‌ای که ساختار زینی نامیده می‌شوند همیشه رسانایی الکتریکی «فلزی» نسبتاً بالایی دارند.

برنج. 3.2

"درپوش" هایی که CNT ها را در انتها می بندند نیز ممکن است متفاوت باشند. آنها شکل "نیمه" فولرن های مختلف را دارند. گزینه های اصلی آنها در شکل نشان داده شده است. 3.3.

برنج. 3.3 گزینه های اصلی برای "پوشش" CNT های تک جداره

نیز وجود دارد CNT های چند دیواری. برخی از آنها مانند لایه ای از گرافیت به نظر می رسند که به صورت طومار در آمده است. اما اکثر آنها شامل لوله های تک لایه ای هستند که توسط نیروهای واندروالس به یکدیگر متصل شده اند. اگر CNT های تک جدارهتقریباً همیشه با درب پوشانده می شوند CNT های چند دیواریآنها نیز تا حدی باز هستند. آنها معمولاً عیوب ساختاری کوچک تری نسبت به CNT های تک جداره نشان می دهند. بنابراین، برای برنامه های کاربردی در الکترونیک، اولویت هنوز به دومی داده می شود.

CNT ها نه تنها مستقیم رشد می کنند، بلکه به صورت منحنی نیز رشد می کنند، خم می شوند تا یک "زانو" را تشکیل دهند، و حتی به شکل چنبره کاملاً پیچیده می شوند. اغلب، چندین CNT به طور محکم به یکدیگر متصل می شوند و "بسته ها" را تشکیل می دهند.

مواد مورد استفاده برای نانولوله ها

توسعه روش‌هایی برای سنتز نانولوله‌های کربنی (CNTs) مسیر کاهش دمای سنتز را دنبال کرده است. پس از ایجاد فناوری تولید فولرن ها، مشخص شد که در حین تبخیر قوس الکتریکی الکترودهای گرافیتی، همراه با تشکیل فولرن ها، ساختارهای استوانه ای گسترده ای تشکیل می شود. میکروسکوپ سومیو ایجیما با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) اولین کسی بود که این ساختارها را به عنوان نانولوله شناسایی کرد. روش های دمای بالا برای تولید CNT ها شامل روش قوس الکتریکی است. اگر یک میله گرافیتی (آند) را در یک قوس الکتریکی تبخیر کنید، یک رسوب کربن سخت بر روی الکترود مقابل (کاتد) تشکیل می شود که هسته نرم آن حاوی CNT های چند جداره با قطر 15 است. 20 نانومتر و طول بیش از 1 میکرومتر.

تشکیل نانولوله های کربنی از دوده فولرن تحت تأثیر حرارتی با دمای بالا بر روی دوده برای اولین بار توسط گروه های آکسفورد و سوئیس مشاهده شد. نصب برای سنتز قوس الکتریکی فلز فشرده و انرژی بر است، اما برای تولید انواع مختلف نانومواد کربنی جهانی است. یک مشکل مهم عدم تعادل فرآیند در طی احتراق قوس است. روش قوس الکتریکی در یک زمان جایگزین روش تبخیر لیزری (ابلیشن) با پرتو لیزر شد. واحد فرسایش یک کوره حرارتی مقاومتی معمولی است که دمای 1200 درجه سانتیگراد را تولید می کند. برای به دست آوردن دمای بالاتر در آن، کافی است یک هدف کربنی را در کوره قرار دهید و یک پرتو لیزر را به سمت آن هدایت کنید و به طور متناوب تمام سطح هدف را اسکن کنید. بنابراین، گروه اسمالی با استفاده از تاسیسات گران قیمت با لیزر پالس کوتاه، نانولوله‌هایی را در سال 1995 به دست آوردند که فناوری سنتز آنها را به‌طور قابل‌توجهی ساده کرد.

با این حال، بازده نانولوله های کربنی کم باقی ماند. افزودن کمی نیکل و کبالت (0.5 at.%) به گرافیت باعث شد تا بازده CNT به 70-90٪ افزایش یابد. از این لحظه شروع شد مرحله جدیددر درک مکانیسم تشکیل نانولوله. آشکار شد که این فلز کاتالیزوری برای رشد است. اینگونه بود که اولین کارها بر روی تولید نانولوله ها با روش دمای پایین - روش پیرولیز کاتالیزوری هیدروکربن ها (CVD) ظاهر شد که در آن از ذرات فلزی گروه آهن به عنوان کاتالیزور استفاده شد. یکی از گزینه‌های نصب برای تولید نانولوله‌ها و نانوالیاف به روش CVD، راکتوری است که در آن یک گاز حامل بی‌اثر عرضه می‌شود و کاتالیزور و هیدروکربن را به منطقه‌ای با دمای بالا می‌برد.

به صورت ساده، مکانیسم رشد CNT ها به شرح زیر است. کربن تولید شده توسط تجزیه حرارتیهیدروکربن، در یک نانوذره فلزی حل می شود. هنگامی که غلظت بالای کربن در یک ذره به دست می‌آید، یک "آزادسازی" انرژی اضافی کربن اضافی در یکی از سطوح ذره کاتالیزور به شکل یک کلاهک نیمه‌فولرن تحریف شده رخ می‌دهد. اینگونه است که یک نانولوله متولد می شود. کربن تجزیه شده همچنان وارد ذره کاتالیزور می شود و برای ریختن غلظت اضافی آن در مذاب، باید مدام از شر آن خلاص شود. نیمکره در حال افزایش (نیمه فولرن) از سطح مذاب، کربن اضافی محلول را با خود حمل می کند که اتم های آن در خارج از مذاب تشکیل می شوند. اتصال S-Sکه یک قاب نانولوله ای استوانه ای است.

دمای ذوب یک ذره در حالت نانو به شعاع آن بستگی دارد. هرچه شعاع کوچکتر باشد، دمای ذوب کمتر است، به دلیل اثر گیبس تامپسون. بنابراین نانوذرات آهن با اندازه حدود 10 نانومتر در حالت مذاب زیر 600 درجه سانتیگراد قرار دارند. روشن در حال حاضرسنتز CNT در دمای پایین با استفاده از تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری استیلن در حضور ذرات آهن در دمای 550 درجه سانتی گراد انجام شد. کاهش دمای سنتز نیز پیامدهای منفی دارد. با بیشتر دمای پاییننانولوله های کربنی با قطر زیاد (حدود 100 نانومتر) و ساختار بسیار معیوب مانند "بامبو" یا "نانو مخروط تودرتو" به دست می آیند. مواد حاصل فقط از کربن تشکیل شده‌اند، اما حتی به ویژگی‌های خارق‌العاده (مثلاً مدول یانگ) مشاهده‌شده در نانولوله‌های کربنی تک جداره‌ای که با فرسایش لیزری یا سنتز قوس الکتریکی به‌دست می‌آیند، نزدیک نیستند.

فولرن ها و نانولوله های کربنی خواص و کاربرد

در سال 1985 رابرت کرل، هارولد کروتوو ریچارد اسمالیبه طور کاملا غیر منتظره یک ترکیب کربن اساسا جدید کشف کرد - فولرن , خواص منحصر به فردکه باعث انبوهی از تحقیقات شد. در سال 1996 به کاشفان فولرن ها جایزه نوبل اعطا شد.

اساس مولکول فولرن است کربن- این عنصر شیمیایی منحصر به فرد، با توانایی آن در ترکیب با اکثر عناصر و تشکیل مولکول هایی با متنوع ترین ترکیب و ساختار متمایز است. از دوره مدرسهشیمی، شما، البته، می دانید که کربن دو اصلی دارد حالات آلوتروپیک-گرافیت و الماس بنابراین، با کشف فولرن، می توان گفت که کربن حالت آلوتروپیک دیگری به دست آورد.

ابتدا به ساختار مولکول های گرافیت، الماس و فولرن نگاه می کنیم.

گرافیتدارد ساختار لایه ای (شکل 8). هر لایه از اتم های کربن تشکیل شده است که به صورت شش ضلعی منظم به یکدیگر پیوند کووالانسی دارند.

برنج. 8. ساختار گرافیت

لایه های مجاور توسط نیروهای ضعیف واندروالس در کنار هم نگه داشته می شوند. بنابراین به راحتی روی هم می لغزند. یک نمونه از این می تواند یک مداد ساده باشد - وقتی یک میله گرافیتی را روی کاغذ می کشید، لایه ها به تدریج از یکدیگر جدا می شوند و علامتی روی آن باقی می گذارند.

الماسسه بعد دارد ساختار چهار وجهی (شکل 9). هر اتم کربن به چهار اتم دیگر پیوند کووالانسی دارد. همه اتم های شبکه کریستالی در یک فاصله (154 نانومتر) از یکدیگر قرار دارند. هر یک از آنها توسط یک پیوند کووالانسی مستقیم به دیگران متصل می شوند و در کریستال، صرف نظر از اندازه آن، یک ماکرومولکول غول پیکر تشکیل می دهند.

برنج. 9. ساختار الماس

با تشکر از انرژی بالا پیوندهای کووالانسی C-C، الماس دارای بالاترین استحکام است و نه تنها به عنوان یک سنگ قیمتی، بلکه به عنوان ماده اولیه برای ساخت ابزارهای برش و سنگ زنی فلزات استفاده می شود (ممکن است خوانندگان در مورد پردازش الماس فلزات مختلف شنیده باشند).

فولرن هانام خود را به افتخار معمار باکمینستر فولر، که سازه های مشابهی را برای استفاده در ساخت و سازهای معماری اختراع کرد (بنابراین آنها نیز نامیده می شوند) گرفتند. باکی بال ها). فولرن دارای یک ساختار قاب است که بسیار یادآور توپ فوتبال است که از "تکه" هایی با اشکال 5 و 6 ضلعی تشکیل شده است. اگر تصور کنیم که اتم های کربن در راس این چند وجهی وجود دارد، پایدارترین فولرن C60 را به دست می آوریم. (شکل 10)

برنج. 10. ساختار فولرنج 60

در مولکول C60 که شناخته شده ترین و همچنین متقارن ترین نماینده خانواده فولرن است، تعداد شش ضلعی ها 20 است. علاوه بر این، هر پنج ضلعی فقط با شش ضلعی مرز دارد و هر شش ضلعی دارای سه ضلع مشترک با شش ضلعی و سه ضلع با پنج ضلعی است. .

ساختار مولکول فولرن از این جهت جالب است که در داخل چنین "توپ" کربنی حفره ای تشکیل شده است که به لطف خواص مویرگیاتم ها و مولکول های مواد دیگر را می توان معرفی کرد که به عنوان مثال، حمل و نقل ایمن آنها را ممکن می کند.

همانطور که فولرن ها مورد مطالعه قرار گرفتند، مولکول های آنها سنتز و مورد مطالعه قرار گرفتند که حاوی تعداد متفاوتی از اتم های کربن بود - از 36 تا 540. (شکل 11)

الف)ب)ج)

برنج. 11. ساختار فولرن الف) 36، ب) 96، ج) 540

با این حال، تنوع ساختارهای قاب کربنی به همین جا ختم نمی شود. در سال 1991، یک استاد ژاپنی سومیو ایجیماکشف سیلندرهای کربن طولانی به نام نانولوله ها .

نانولوله یک مولکول بیش از یک میلیون اتم کربن است که لوله ای به قطر حدود یک نانومتر و طول چند ده میکرون است. . در دیواره های لوله، اتم های کربن در راس شش ضلعی های منظم قرار دارند.

برنج. 13 ساختار نانولوله کربنی.

الف) نمای کلینانولوله ها

ب) نانولوله در یک انتها پاره شده است

ساختار نانولوله‌ها را می‌توان به این شکل تصور کرد: یک صفحه گرافیتی را می‌گیریم، یک نوار از آن برش می‌دهیم و آن را به یک استوانه می‌چسبانیم (البته در واقعیت، نانولوله‌ها به روشی کاملاً متفاوت رشد می‌کنند). به نظر می رسد که می تواند ساده تر باشد - شما یک هواپیمای گرافیتی را می گیرید و آن را به یک استوانه می چرخانید! - با این حال، قبل از کشف تجربی نانولوله ها، هیچ یک از نظریه پردازان آنها را پیش بینی نکردند. بنابراین دانشمندان فقط می توانستند آنها را مطالعه کنند و شگفت زده شوند.

و چیزی برای تعجب وجود داشت - بالاخره این نانولوله های شگفت انگیز 100 هزار وزن دارند.

چند برابر نازکتر از موی انسان، ماده ای بسیار بادوام بود. نانولوله ها 50 تا 100 برابر قوی تر از فولاد هستند و 6 برابر چگالی کمتری دارند! مدول یانگ –سطح مقاومت مواد در برابر تغییر شکل برای نانولوله ها دو برابر بیشتر از الیاف کربن معمولی است. یعنی لوله ها نه تنها قوی هستند، بلکه انعطاف پذیر نیز هستند و رفتار آنها شبیه نی های شکننده نیست، بلکه شبیه لوله های لاستیکی سخت است. تحت تأثیر تنش‌های مکانیکی بیش از حد بحرانی، نانولوله‌ها بسیار عجیب رفتار می‌کنند: آنها «پاره نمی‌شوند»، «شکسته نمی‌شوند»، بلکه به سادگی خودشان را مرتب می‌کنند!

در حال حاضر، حداکثر طول نانولوله ها ده ها و صدها میکرون است - که البته در مقیاس اتمی بسیار بزرگ است، اما برای استفاده روزمره بسیار کوتاه است. با این حال، طول نانولوله های به دست آمده به تدریج در حال افزایش است - اکنون دانشمندان قبلاً به علامت سانتی متر نزدیک شده اند. نانولوله های چند جداره به طول 4 میلی متر به دست آمد.

نانولوله ها در اشکال مختلفی وجود دارند: تک جداره و چند جداره، مستقیم و مارپیچ. علاوه بر این، آنها طیف کاملی از غیرمنتظره ترین خواص الکتریکی، مغناطیسی و نوری را نشان می دهند.

به عنوان مثال، بسته به الگوی تاشوی خاص صفحه گرافیتی ( کایرالیتهنانولوله ها می توانند هم هادی و هم نیمه هادی الکتریسیته باشند. خواص الکترونیکی نانولوله ها را می توان به طور هدفمند با وارد کردن اتم های مواد دیگر در داخل لوله ها تغییر داد.

حفره های داخل فولرن ها و نانولوله ها مدت هاست توجه ها را به خود جلب کرده اند.

دانشمندان آزمایش‌ها نشان داده‌اند که اگر یک اتم از ماده‌ای به داخل یک فولرن وارد شود (این فرآیند را "intercalation" می‌گویند، یعنی "incorporation")، این می‌تواند خواص الکتریکی آن را تغییر دهد و حتی یک عایق را به یک ابررسانا تبدیل کند!

آیا می توان خواص نانولوله ها را به همین ترتیب تغییر داد؟ معلوم می شود بله. دانشمندان توانستند زنجیره کاملی از فولرن‌ها را با اتم‌های گادولینیوم که قبلاً در آنها جاسازی شده بود، درون یک نانولوله قرار دهند. خواص الکتریکی چنین ساختار غیرمعمولی هم با خواص یک نانولوله ساده و توخالی و هم با خواص یک نانولوله با فولرن های خالی در داخل بسیار متفاوت بود. جالب است بدانید که نمادهای شیمیایی خاصی برای چنین ترکیباتی ساخته شده است. ساختاری که در بالا توضیح داده شد به صورت Gd@C60@SWNT نوشته شده است که به معنای "Gd در داخل C60 در داخل یک نانولوله تک دیواره" است.

سیم‌های دستگاه‌های کلان مبتنی بر نانولوله‌ها می‌توانند عملا جریان را بدون تولید گرما عبور دهند و جریان می‌تواند به مقدار زیادی برسد - 10 7 A/cm 2 . یک هادی کلاسیک در چنین مقادیری فوراً تبخیر می شود.

چندین کاربرد از نانولوله ها در صنعت کامپیوتر نیز توسعه یافته است. قبلاً در سال 2006، مانیتورهای انتشار با صفحه‌نمایش مسطح که بر روی ماتریسی از نانولوله‌ها کار می‌کنند ظاهر می‌شوند. تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده به یک انتهای نانولوله، انتهای دیگر شروع به انتشار الکترون می کند که به صفحه فسفری برخورد کرده و باعث درخشش پیکسل می شود. دانه تصویر به دست آمده بسیار کوچک خواهد بود: به ترتیب یک میکرون!(این مانیتورها در درس دستگاه های جانبی مطالعه می شوند).

مثال دیگر استفاده از نانولوله به عنوان نوک میکروسکوپ روبشی است. معمولاً چنین لبه‌ای یک سوزن تنگستن تیز شده است، اما طبق استانداردهای اتمی چنین تیز کردنی هنوز کاملاً خشن است. نانولوله یک سوزن ایده‌آل با قطر چند اتم است. با اعمال یک ولتاژ مشخص، می توان اتم ها و کل مولکول های واقع روی بستر را مستقیماً زیر سوزن برداشت و آنها را از مکانی به مکان دیگر منتقل کرد.

خواص الکتریکی غیرمعمول نانولوله ها آنها را به یکی از مواد اصلی نانوالکترونیک تبدیل می کند. بر اساس آنها، نمونه های اولیه از عناصر جدید برای کامپیوتر ساخته شد. این عناصر در مقایسه با نمونه های سیلیکونی دستگاه ها را چندین مرتبه کوچکتر می کنند. این سؤال که پس از پایان یافتن کامل احتمالات کوچک سازی بیشتر مدارهای الکترونیکی مبتنی بر نیمه هادی های سنتی، توسعه الکترونیک به کدام سمت خواهد رفت، اکنون به طور فعال مورد بحث قرار گرفته است (این ممکن است در 5-6 سال آینده رخ دهد). و نانولوله‌ها جایگاهی غیرقابل انکار در میان نامزدهای امیدوارکننده برای جایگاه سیلیکون دارند.

یکی دیگر از کاربردهای نانولوله ها در نانوالکترونیک ایجاد ساختارهای ناهمسان نیمه هادی است. ساختارهایی از نوع "فلز/نیمه هادی" یا محل اتصال دو نیمه هادی مختلف (نانو ترانزیستور).

حال برای تولید چنین ساختاری نیازی به رشد دو ماده جداگانه و سپس جوش دادن آنها به یکدیگر نخواهد بود. تنها چیزی که لازم است ایجاد یک نقص ساختاری در آن در طول رشد نانولوله است (یعنی جایگزینی یکی از شش ضلعی های کربنی با یک پنج ضلعی) به سادگی با شکستن آن از وسط به روشی خاص. سپس یک قسمت از نانولوله خواهد بود خواص فلزی، و دیگری - خواص نیمه هادی ها!

نانولوله های کربنی ماده ای هستند که بسیاری از دانشمندان رویای آن را در سر می پرورانند. ضریب استحکام بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی عالی، مقاومت در برابر آتش و ضریب وزنی مرتبه ای بالاتر از اکثر مواد شناخته شده است. نانولوله‌های کربنی ورقه‌ای از گرافن هستند که در یک لوله قرار گرفته‌اند. دانشمندان روسی کنستانتین نووسلوف و همچنین آندری گیم دریافت کردند جایزه نوبلدر سال 2010

برای اولین بار، دانشمندان شوروی توانستند در سال 1952 لوله های کربنی را روی سطح یک کاتالیزور آهن مشاهده کنند. با این حال، پنجاه سال طول کشید تا دانشمندان نانولوله ها را به عنوان یک ماده امیدوارکننده و مفید ببینند. یکی از ویژگی های قابل توجه این نانولوله ها این است که خواص آنها توسط هندسه تعیین می شود. بنابراین، خواص الکتریکی آنها به زاویه پیچش بستگی دارد - نانولوله ها می توانند رسانایی نیمه هادی و فلزی را نشان دهند.

بسیاری جهت های امیدوار کنندهامروزه در فناوری نانو به طور خاص با نانولوله های کربنی مرتبط هستند. به زبان ساده، نانولوله های کربنی مولکول های غول پیکر یا ساختارهای چارچوبی هستند که فقط از اتم های کربن تشکیل شده اند. تصور چنین نانولوله ای آسان است اگر تصور کنید که گرافن در یک لوله تا می شود - این یکی از لایه های مولکولی گرافیت است. روش تا شدن نانولوله ها تا حد زیادی خواص نهایی این ماده را تعیین می کند.

به طور طبیعی، هیچ‌کس نانولوله‌ها را با نورد کردن آنها از یک صفحه گرافیت ایجاد نمی‌کند. به عنوان مثال، نانولوله ها خود را بر روی سطح الکترودهای کربنی یا بین آنها در هنگام تخلیه قوس تشکیل می دهند. در هنگام تخلیه، اتم های کربن از سطح تبخیر شده و به یکدیگر متصل می شوند. در نتیجه نانولوله ها تشکیل می شوند انواع مختلف– چند لایه، تک لایه و با زوایای پیچش متفاوت.

طبقه بندی اصلی نانولوله ها بر اساس تعداد لایه هایی است که آنها را تشکیل می دهند:

• نانولوله های تک جداره ساده ترین نوع نانولوله ها هستند. اکثر آنها دارای قطری در حدود 1 نانومتر با طولی هستند که می تواند هزاران برابر بیشتر باشد.
• نانولوله‌های چندلایه، متشکل از چندین لایه گرافن، به شکل یک لوله تا می‌شوند. فاصله 0.34 نانومتر بین لایه ها تشکیل می شود، یعنی یکسان با فاصله بین لایه ها در یک کریستال گرافیت.

دستگاه

نانولوله‌ها ساختارهای کربنی استوانه‌ای گسترده‌ای هستند که می‌توانند تا چندین سانتی‌متر طول و قطر یک تا چند ده نانومتر داشته باشند. در عین حال، امروزه فن آوری هایی وجود دارد که بافتن آنها را به رشته هایی با طول نامحدود امکان پذیر می کند. آنها می توانند از یک یا چند صفحه گرافنی تشکیل شوند که در یک لوله قرار گرفته اند که معمولاً به یک سر نیمکره ختم می شود.

قطر نانولوله ها چندین نانومتر یعنی چند میلیاردم متر است. دیواره‌های نانولوله‌های کربنی از شش ضلعی تشکیل شده‌اند که در راس آن‌ها اتم‌های کربن وجود دارد. لوله ها ممکن است داشته باشند نوع مختلفساختار، اوست که بر مکانیکی، الکترونیکی و خواص شیمیایی. لوله های تک لایه در عین حال دارای عیوب کمتری هستند، پس از بازپخت در دمای بالا در یک اتمسفر بی اثر، می توان لوله های بدون نقص را به دست آورد. نانولوله‌های چند دیواره با نانولوله‌های تک جداره استاندارد در شکل‌ها و پیکربندی‌های بسیار گسترده‌تری متفاوت هستند.

نانولوله های کربنی را می توان به روش های مختلفی سنتز کرد، اما رایج ترین آنها عبارتند از:

• تخلیه قوس. این روش تولید نانولوله‌ها را در تاسیسات تکنولوژیکی برای تولید فولرن‌ها در پلاسمای یک تخلیه قوس الکتریکی که در اتمسفر هلیوم می‌سوزد، تضمین می‌کند. اما حالت‌های احتراق قوس الکتریکی در اینجا استفاده می‌شود: فشار هلیوم بالاتر و چگالی جریان کم، و همچنین کاتدهای با قطر بیشتر. ذخایر کاتد حاوی نانولوله هایی به طول 40 میکرون است که به صورت عمود بر روی کاتد رشد می کنند و به صورت دسته های استوانه ای ترکیب می شوند.
• روش ابلیشن با لیزر . این روش مبتنی بر تبخیر یک هدف گرافیتی در یک راکتور ویژه با دمای بالا است. نانولوله ها بر روی سطح سرد شده راکتور به شکل میعانات تبخیر گرافیت تشکیل می شوند. این روشدستیابی به نانولوله های تک جداره با کنترل قطر مورد نیاز توسط دما را امکان پذیر می سازد. اما این روش به طور قابل توجهی گران تر از روش های دیگر است.
• رسوب بخار شیمیایی . این روش شامل تهیه یک بستر با لایه ای از کاتالیزور است - اینها می توانند ذرات آهن، کبالت، نیکل یا ترکیبی از آنها باشند. قطر نانولوله هایی که با استفاده از این روش رشد می کنند به اندازه ذرات مورد استفاده بستگی دارد. بستر تا 700 درجه گرم می شود. برای شروع رشد نانولوله ها، گاز حاوی کربن و گاز فرآیندی (هیدروژن، نیتروژن یا آمونیاک) به راکتور وارد می شود. نانولوله ها روی نواحی کاتالیزورهای فلزی رشد می کنند.

برنامه ها و ویژگی ها

• کاربردها در فوتونیک و اپتیک . با انتخاب قطر نانولوله ها می توان از جذب نوری در محدوده طیفی وسیع اطمینان حاصل کرد. نانولوله‌های کربنی تک جداره غیرخطی جذب اشباع‌پذیر قوی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که زیر نور به اندازه کافی شدید شفاف می‌شوند. بنابراین، می توان از آنها برای کاربردهای مختلف در زمینه فوتونیک، به عنوان مثال، در روترها و سوئیچ ها، برای ایجاد پالس های لیزری فوق کوتاه و بازسازی سیگنال های نوری استفاده کرد.
• کاربرد در الکترونیک . در حال حاضر روش های زیادی برای استفاده از نانولوله ها در الکترونیک اعلام شده است، اما تنها بخش کوچکی از آنها قابل تحقق است. بیشترین علاقه در استفاده از نانولوله ها در هادی های شفاف به عنوان یک ماده سطحی پایدار از نظر حرارتی است.

اهمیت تلاش برای معرفی نانولوله‌ها در الکترونیک به دلیل نیاز به جایگزینی ایندیم در هیت سینک‌ها است که در ترانزیستورهای پرقدرت، پردازنده‌های گرافیکی و واحدهای پردازش مرکزی استفاده می‌شوند، زیرا ذخایر این ماده در حال کاهش و قیمت آن در حال افزایش است. .

• ایجاد حسگرها . نانولوله های کربنی برای حسگرها یکی از جالب ترین راه حل ها هستند. لایه های فوق نازک نانولوله های تک جداره ممکن است در حال حاضر بهترین پایه برای حسگرهای الکترونیکی باشد. آنها را می توان با استفاده از روش های مختلف تولید کرد.
• ایجاد بیوتراشه، حسگرهای زیستی کنترل تحویل و عملکرد هدفمند داروها در صنعت بیوتکنولوژی. کار در این راستا در حال حاضر در حال انجام است. تجزیه و تحلیل با توان بالا که با استفاده از فناوری نانو انجام می شود، زمان لازم برای ارائه یک فناوری به بازار را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
• امروز به شدت در حال رشد است تولید نانوکامپوزیت ها ، بیشتر پلیمری است. هنگامی که حتی مقدار کمی از نانولوله های کربنی به آنها وارد می شود، تغییر قابل توجهی در خواص پلیمرها تضمین می شود. این باعث افزایش پایداری حرارتی و شیمیایی، هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی و بهبود آنها می شود مشخصات مکانیکی. ده ها ماده با افزودن نانولوله های کربنی بهبود یافته اند.

- الیاف کامپوزیت مبتنی بر پلیمر با نانولوله.
- کامپوزیت های سرامیکی با مواد افزودنی. مقاومت در برابر ترک سرامیک افزایش می یابد، حفاظت از تابش الکترومغناطیسی ظاهر می شود، هدایت الکتریکی و حرارتی افزایش می یابد.
- بتن با نانولوله - باعث افزایش عیار، استحکام، مقاومت در برابر ترک، کاهش انقباض می شود.
- کامپوزیت های فلزی به خصوص کامپوزیت های مس که خواص مکانیکی آن چندین برابر مس معمولی است.
- کامپوزیت های هیبریدی که شامل سه جزء به طور همزمان هستند: الیاف غیر آلی یا پلیمری (پارچه ها)، یک اتصال دهنده و نانولوله ها.

مزایا و معایب

از جمله مزایای نانولوله های کربنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بسیاری از خواص منحصر به فرد و واقعا مفید که می توانند در اجرای راه حل های کم مصرف انرژی، فوتونیک، الکترونیک و سایر برنامه ها استفاده شوند.
• این یک نانو ماده است که دارای ضریب استحکام بالا، هدایت حرارتی و الکتریکی عالی و مقاومت در برابر آتش است.
• بهبود خواص مواد دیگر با وارد کردن مقدار کمی نانولوله کربنی به آنها.
• نانولوله‌های کربنی با انتهای باز اثر موئینگی دارند، به این معنی که می‌توانند فلزات مذاب و سایر مواد مایع را جذب کنند.
• نانولوله ها خواص را با هم ترکیب می کنند جامدو مولکول ها، که چشم اندازهای قابل توجهی را به وجود می آورد.

از جمله معایب نانولوله های کربنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نانولوله های کربنی در حال حاضر در این کشور تولید نمی شوند مقیاس صنعتیبنابراین استفاده سریال آنها محدود است.
• هزینه تولید نانولوله های کربنی بالاست که کاربرد آنها را نیز محدود می کند. با این حال، دانشمندان سخت تلاش می کنند تا هزینه تولید خود را کاهش دهند.
• نیاز به بهبود فناوری‌های تولید برای ایجاد نانولوله‌های کربنی با ویژگی‌های دقیق تعریف شده.

چشم انداز

در آینده نزدیک، نانولوله های کربنی در همه جا مورد استفاده قرار خواهند گرفت:

• مقیاس نانو، مواد کامپوزیت، رزوه های فوق العاده قوی.
• سلول های سوختی، سطوح رسانای شفاف، نانوسیم ها، ترانزیستورها.
• آخرین پیشرفت های کامپیوتر عصبی
• نمایشگر، LED.
• دستگاه‌های ذخیره‌سازی فلزات و گازها، کپسول‌های مولکول‌های فعال، نانوپیپت‌ها.
• نانو ربات های پزشکی برای تحویل دارو و عملیات.
• سنسورهای مینیاتوری با حساسیت فوق العاده بالا. چنین نانوحسگرهایی می توانند در کاربردهای بیوتکنولوژیکی، پزشکی و نظامی استفاده شوند.
• کابل آسانسور فضایی.
• بلندگوهای شفاف صاف
• ماهیچه های مصنوعی. در آینده، سایبورگ ها و روبات ها ظاهر خواهند شد و افراد دارای معلولیت به زندگی کامل باز خواهند گشت.
• موتورها و ژنراتورهای برق.
• لباس های هوشمند، سبک و راحت که شما را در برابر هر ناملایمی محافظت می کند.
• ابرخازن های ایمن با شارژ سریع.

همه اینها در آینده است، زیرا فناوری‌های صنعتی برای ایجاد و استفاده از نانولوله‌های کربنی در دسترس هستند مرحله اولیهتوسعه، و قیمت آنها بسیار گران است. اما دانشمندان روسی قبلاً اعلام کرده اند که راهی برای کاهش دویست برابری هزینه ساخت این ماده پیدا کرده اند. این فناوری منحصر به فرد برای تولید نانولوله های کربنی در حال حاضر مخفی نگه داشته شده است، اما قرار است صنعت و بسیاری از حوزه های دیگر را متحول کند.

نانولوله های کربنی شاخه جدیدی از صنعت و علم مواد ایجاد می کنند

موادی از دسته «نانو»، یعنی با ذرات کمتر از 100 نانومتر، امروزه با کربن سیاه (دوده) و سیلیکاژل (دوده سفید) نشان داده می شوند. حجم تولید سایر نانومواد به طور غیر قابل مقایسه ای کمتر است. اما اکنون شرایط در حال تغییر است، نانولوله های کربنی وارد بازار شده اند. نانولوله های کربنی- اینها ساختارهای استوانه ای گسترده ای هستند که از یک یا چند صفحه گرافیتی شش ضلعی (از نظر هندسی شبیه لانه زنبوری) تشکیل شده اند که در یک لوله نورد شده اند.

میکرولوله های کربنی ثبت اختراع شده اند اواخر نوزدهمقرن‌ها، و نانولوله‌ها ابتدا در مؤسسه شیمی فیزیک مسکو در دهه 1950، سپس در ژاپن در دهه 1970، و سرانجام در ژاپن در سال 1991 "کشف" شدند. از آن زمان، علاقه به لوله ها به طور پیوسته افزایش یافته است.

نانولوله ها از نظر مجموعه خواص مورد نیاز مشابهی ندارند.

• پیوند اتم‌های کربن با یکدیگر در نانولوله‌ها دارای قدرت رکوردی است. مدول یانگ (بعد فشاری که مقاومت یک ماده در برابر کشش یا فشرده سازی را مشخص می کند) نانولوله ها بیش از 1 TPa (حدود 1 میلیون اتمسفر - بالاتر از الماس) است. رسانایی حرارتی نانولوله ها هشت برابر مس است و رسانایی الکتریکی از قانون اهم تبعیت نمی کند. چگالی جریان در لوله ها می تواند هزار برابر بیشتر از چگالی منفجر شدن سیم مسی باشد.

تولید جهانی نانولوله ها از 1000 تن در سال فراتر رفته است. استفاده از مواد ساخته شده از نانولوله های کربنی یا حاوی نانولوله های کربنی به بخش جدیدی از اقتصاد تبدیل شده است که تحت تاثیر بحران مالی جهانی قرار نگرفته است.

• تقاضای جهانی برای نانولوله در سال 2010 حدود 10 هزار تن برآورد شده است. آنها توسط بیش از 40 شرکت تولید می شوند. آلمانی بایر فرانسوی ها قصد دارند ظرفیت تولید خود را تا سال 2012 به 3000 تن در سال افزایش دهند آرکما دارای کارخانه ای با ظرفیت سالانه 400 تن چینی CNano - 500 تن در سال و بلژیکی نانوسیل - 400 تن در سال شرکت ژاپنی تولید نانوالیاف کربنی را تا 500 تن در سال افزایش می دهد شوا دنکو .

• مواد نانوساختار به دو گروه بزرگ تقسیم می شوند. مواد یکی از 95 تا 100 درصد نانولوله ها تشکیل شده است. مواد دوم نانوکامپوزیت ها هستند - برعکس، آنها حاوی نانولوله های کمی تا 5٪ هستند.

مواد نانولوله ای

شکل نانولوله‌ها به آنها اجازه می‌دهد به دو صورت چیده شوند: آشفته یا منظم، که بر خواص مواد تأثیر می‌گذارد. نانولوله ها را می توان با اتصال گروه های شیمیایی و نانوذرات مختلف به آنها اصلاح کرد. این همچنین خواص خود نانولوله ها و مواد آنها را تغییر می دهد.

• مواد گروه اول شامل ساختارهای "یکپارچه" ساخته شده از نانولوله است. پوشش ها، فیلم ها و کاغذهای نانو از لوله ها؛ الیاف از لوله ها؛ "جنگل" - نانولوله هایی که به موازات یکدیگر و عمود بر بستر قرار دارند. مواد "یکپارچه" به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند.

"لاستیک" از نانولوله های بلند درهم، مقاوم در برابر تخریب تحت بارهای چرخه ای و دماهای 140- تا 900+ درجه سانتی گراد جدا شده است. عملکرد آن بسیار برتر از لاستیک سیلیکونی است که بهترین ماده ویسکوالاستیک در نظر گرفته می شود.

• پوشش ها، فیلم ها و نانوکاغذها یا در طول سنتز لوله ها یا از پراکندگی آنها (محلول های کلوئیدی) به دست می آیند. روش های گروه اول با دمای بالا هستند، روش دوم نیازی به گرمایش ندارد. ساده‌ترین ماکروماد ساخته شده از لوله‌ها، نانوکاغذ، ضخامتی بین 10 تا 30 نانومتر دارد و با فیلتراسیون پراکندگی‌ها تولید می‌شود.

.

شرکت فناوری های نانوکامپ (ایالات متحده آمریکا) ورق های کاغذ نانو را به مساحت حدود 3 متر مربع می فروشد و قصد دارد یک مرکز تولید با ظرفیت 4 تا 6 تن در سال ایجاد کند. روش‌هایی برای تولید رول‌های نانوکاغذ اجرا شده است.

• از نانوکاغذ برای ساخت فیلترها (از جمله برای حذف ویروس ها یا نمک زدایی آب)، محافظت در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی، قطعات بخاری، حسگرها، محرک ها، ساطع کننده های میدان، الکترودهای دستگاه های الکتروشیمیایی، حامل های کاتالیزور و غیره استفاده می شود.

فیلم ها و پوشش های رسانای الکتریکی شفاف با محلول های جامد اکسیدهای ایندیوم و قلع رقابت می کنند و می توانند جایگزین این ماده گران قیمت و شکننده در الکترونیک، حسگرها و دستگاه های فتوولتائیک شوند.

• شرکت آمریکایی ایکوس توسعه یافته و از سال 2005 این ترکیب را عرضه می کند جوهر Invisicon برای رسوب لایه های نازک نانولوله ها بر روی بسترها.

الیاف نانولوله کربنی مانند یک ماده اتصال دهنده "آسانسور فضایی" ایده آل برای حمل اقتصادی محموله به مدار زمین به نظر می رسید. با این حال، انتقال خواص نانولوله ها به مواد درشت به دور از یک کار ساده تبدیل شد.

• الیاف به روش های مختلفی به دست می آیند. روش های "خشک" شامل تشکیل از آئروژل تشکیل شده در طی تجزیه در اثر حرارت هیدروکربن ها و چرخش از "چوب" است.

فن آوری کشیدن و چرخاندن الیاف از آئروژل - "دود نرم" - در توسعه یافت دانشگاه کمبریج . به منطقه واکنش با دمای بالاهیدروکربن عرضه می شود که از آن یک ایروژل تشکیل می شود (یعنی ژلی که در آن فاز مایع به طور کامل با یک گاز جایگزین می شود). الیاف از آن مانند قدیم از یدک کش می چرخند. در اسرائیل، شرکتی در سال 2010 برای تولید زره بدن و پوشش های محافظ از کامپوزیت های هیبریدی حاوی نانولوله های کمبریج ایجاد شد.

• چرخیدن از "جنگل" یادآور به دست آوردن نخ های ابریشم از پیله های کرم ابریشم است.

.

روش های محلول برای تولید الیاف عبارتند از اکستروژن پراکندگی ها در جریان مایع یا استخراج از محلول های کلوئیدی در سوپراسیدها (اسیدهای قوی تر از سولفوریک).

• شرکت فناوری های نانوکامپ از عرضه الیاف قوی تا طول 10 کیلومتر خبر داد که برای تولید آن از نانولوله های بلند استفاده می شود. رزوه های پیچ خورده دارای قدرت 3 گیگا پاسکال هستند و در برخی موارد از کولار برتری دارند.

"جنگل" در مجموعه خواص خود مشابهی ندارد - این یک ماده الاستیک، رسانای الکتریکی و حرارتی است که می تواند اشکال مختلفی داشته باشد و تغییر یابد. در سال 2004، یک فرآیند رشد فوق العاده "جنگل" با توان عملیاتی بالا توصیف شد: تولید نانولوله های کربنی بسیار خالص به طول 15 تا 18 میلی متر، که به طور قابل توجهی هزینه آنها را کاهش می دهد.

• ژاپن در حال آماده شدن برای راه اندازی تولید بر اساس فرآیند رشد فوق العاده است. ظرفیت آن تنها 600 گرم در ساعت نانولوله تک جداره است، اما آنها قصد دارند به زودی آن را به 10 تن در گرم برسانند.

"Forest" می تواند برای ایجاد الکترود برای ابرخازن ها، ساطع کننده های میدان و سلول های خورشیدی، به عنوان جزئی از کامپوزیت های مبتنی بر پلیمر استفاده شود. با گذاشتن "داربست" روی سطح بستر، نوارهای متراکمی به دست آمد. آنها می توانند در هدایت الکتریکی از فلزات پیشی بگیرند و در صنعت هوافضا کاربرد پیدا کنند.

• نوارهای عضلانی مصنوعی ساخته شده از نانولوله های موازی در دمای 80 تا 1900 کلوین کار می کنند و زمانی که پتانسیل الکتریکی اعمال می شود، ازدیاد طول بسیار بالایی ایجاد می کنند. چنین مبدل های برق انرژی مکانیکیبسیار موثرتر از پیزوکریستال ها.

مواد دوپ شده با نانولوله

تولید مواد گروه دوم - نانوکامپوزیت ها، عمدتاً پلیمرها - به شدت در حال رشد است

• معرفی حتی مقادیر کمی از نانولوله های کربنی به طور قابل توجهی خواص پلیمرها را تغییر می دهد، رسانایی الکتریکی را ایجاد می کند، هدایت حرارتی را افزایش می دهد، ویژگی های مکانیکی، پایداری شیمیایی و حرارتی را بهبود می بخشد. نانوکامپوزیت‌ها بر اساس ده‌ها پلیمر مختلف ایجاد شده‌اند و روش‌های زیادی برای تهیه آن‌ها ابداع شده است.

الیاف کامپوزیت مبتنی بر پلیمر با نانولوله می توانند کاربرد وسیعی پیدا کنند.

• تقریبا همه چیز تولید شده توسط این شرکت بایر از نانولوله ها برای کامپوزیت های پلیمری استفاده می شود. شرکت آرکما نانولوله های خود را برای کامپوزیت های ترموپلاستیک تامین می کند و نانوسیل - برای پلیمرهای گرما انقباض پذیر و پیش آغشته با الیاف کربن (پیش آغشته ها مواد کامپوزیتی نیمه تمام برای پردازش بیشتر هستند).

شرکت آمریکایی Hyperion Catalysis Int. ، پیشگام تولید صنعتینانولوله ها، کنسانتره هایی را برای ورود به رزین اپوکسی و پلیمرها تولید می کند.

انواع نانولوله ها

• کامپوزیت های سرامیکی بر اساس بسیاری از مواد نسوز ایجاد می شوند، اما از نظر توسعه صنعتی به طور محسوسی نسبت به نانوکامپوزیت های مبتنی بر پلیمرها پایین تر هستند. همانطور که در مورد پلیمرها، افزودن مقادیر کمی از نانولوله ها باعث افزایش رسانایی الکتریکی و حرارتی می شود، توانایی محافظت در برابر تشعشعات الکترومغناطیسی و مهمتر از همه، افزایش مقاومت در برابر ترک سرامیک ها را افزایش می دهد.

ورود مقادیر بسیار کم نانولوله به بتن باعث افزایش عیار، مقاومت در برابر ترک، استحکام و کاهش انقباض آن می شود.

• کامپوزیت های فلزی با فلزات و آلیاژهای غیرآهنی رایج ایجاد می شوند. بیشترین توجه به کامپوزیت های مس است که خواص مکانیکی آن دو تا سه برابر بیشتر از مس است. بسیاری از ترکیبات دارای استحکام و سختی افزایش یافته، ضرایب انبساط حرارتی و اصطکاک کمتری هستند.

کامپوزیت های هیبریدی معمولاً شامل سه جزء هستند: الیاف پلیمری یا معدنی (پارچه ها)، نانولوله ها و یک چسب. این کلاس شامل پیش آبدهی می کند .

• یک شرکت آمریکایی در تولید پیش آغشته با نانولوله ها تخصص دارد مواد اجرایی Zyvex . نانولوله ها استحکام و سفتی پیش آغشته را 30 تا 50 درصد افزایش می دهند. Prepregs برای ساخت قایق های شناسایی دریایی بدون سرنشین استفاده می شود "پیرانا" .

در سال 2009، اولین هواپیمای آکروباتیک هوایی با فیرینگ موتور ساخته شده از کامپوزیت با نانولوله در ایالات متحده پرواز کرد. برخی از عناصر یک گلایدر هواپیما F-35 شرکت ها مارتین لاکهید تقریباً 100 قسمت از بدنه هواپیمای مسافربری از چنین کامپوزیت هایی ساخته شده است بوئینگ 787 قرار است با استفاده از نانولوله ها انجام شود.

• شرکت نانوسیل رزین اپوکسی با لوله تولید می کند اپوکیل و پیش آبدهی می کند پرگسیل بر اساس الیاف شیشه، الیاف کربن یا آرامید. افزودنی ها مقاومت در برابر ترک را 100 درصد، مقاومت برشی بین لایه را تا 15 درصد افزایش می دهند و ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهند. قرار است از کامپوزیت ها در صنایع خودروسازی و هوانوردی برای زره ​​بدن استفاده شود. وزن پره های توربین بادی 49 متری را از 7.3 به 5.8 تن کاهش می دهند.

شرکت فنلاندی امروی اروپا اوی با استفاده از تولید نانولوله بایر ، کنسانتره اپوکسی تولید می کند هیبتونیت برای کشتی های دریایی، ژنراتورهای بادی، تجهیزات ورزشی و غیره

• برای prepregs کانادا نانولج از لوله های شرکت استفاده می کند بایر ، A فناوری های نانوکامپ ورق ها و رول های بزرگ نانوکاغذ تولید می کند.

کامپوزیت های هیبریدی می توانند خواص حسگر آسیب را نشان دهند.

• بیوکامپوزیت ها نیز با ماتریس های مختلف ایجاد شده اند. مواد برای ایمپلنت های استخوانی، فیلم هایی برای رشد بافت عضلانی و استخوانی، شبکیه و سلول های اپیتلیال چشم، شبکه های نورون ها، و همچنین کامپوزیت های زیستی و حسگرهای زیستی در حال مطالعه هستند.

مثال‌ها تنوع و خواص مواد را با نانولوله‌ها تمام نمی‌کنند. حوزه های کاربرد آنها در حال گسترش است.

ادوارد راکوف، دکترای علوم شیمی، رئیس گروه نانوتکنولوژی و نانومواد، دانشگاه فنی شیمی روسیه به نام. DI. مندلیف

GOST R IEC 62624-2013

استاندارد ملی فدراسیون روسیه

نانولوله های کربنی

روش‌هایی برای تعیین ویژگی‌های الکتریکی

نانولوله های کربنی روشهای تعیین مشخصات الکتریکی

OKS 07.030
17.220.20

تاریخ معرفی 2014-04-01

پیشگفتار

اهداف و اصول استانداردسازی در فدراسیون روسیه توسط قانون فدرال 27 دسامبر 2002 N 184-FZ "در مورد مقررات فنی" تعیین شده است و قوانین استفاده از استانداردهای ملی فدراسیون روسیه GOST R 1.0-2004 "استانداردسازی در مقررات اساسی فدراسیون روسیه"

اطلاعات استاندارد

1 تهیه شده توسط شرکت فدرال واحد ایالتی "موسسه تحقیقاتی استاندارد و گواهینامه تمام روسیه در مهندسی مکانیک" (FSUE "VNIINMASH") بر اساس ترجمه معتبر خود به زبان روسی از استاندارد بین المللی مشخص شده در بند 4

2 معرفی شده توسط کمیته فنی استاندارد 441 "نانو فناوری"

3 با دستور آژانس فدرال مقررات فنی و اندازه‌شناسی مورخ 2 ژوئیه 2013 N 276-st تصویب و لازم الاجرا شد.

4 این استاندارد مشابه استاندارد بین المللی IEC 62624:2009* "روش های اندازه گیری خواص الکتریکینانولوله‌های کربنی" (IEC 62624:2009 "Test method for اندازه‌گیری خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی") نام این استاندارد نسبت به نام سند بین‌المللی مشخص شده تغییر کرده است تا با GOST R 1.5-2004 مطابقت داشته باشد. (بند 3.5)
________________
* دسترسی به اسناد بین المللی و خارجی ذکر شده در متن از طریق تماس با پشتیبانی مشتریان امکان پذیر است. - یادداشت سازنده پایگاه داده.

5 برای اولین بار معرفی شد


قواعد بکارگیری این استاندارد در GOST R 1.0-2012 (بخش 8). اطلاعات مربوط به تغییرات این استاندارد در شاخص اطلاعاتی سالانه (از اول ژانویه سال جاری) "استانداردهای ملی" و متن رسمی تغییرات و اصلاحات در فهرست اطلاعات ماهانه "استانداردهای ملی" منتشر می شود. در صورت بازنگری (تعویض) یا لغو این استاندارد، اطلاعیه مربوطه در شماره بعدی فهرست اطلاعاتی «استانداردهای ملی» منتشر خواهد شد. اطلاعات، اطلاعیه ها و متن های مربوطه نیز در پست شده است سیستم اطلاعاتیبرای استفاده عمومی - در وب سایت رسمی آژانس فدرالدر مورد مقررات فنی و اندازه شناسی در اینترنت (gost.ru)

1 مقررات عمومی

1 مقررات عمومی

1.1 دامنه کاربرد

این استاندارد نانولوله های کربنی (CNTs) را پوشش می دهد و روش هایی را برای تعیین خواص الکتریکی مشخص می کند. روش های مشخصه الکتریکی مشخص شده در این استاندارد مستقل از روش های ساخت CNT هستند.

1.2 هدف

این استاندارد برای استفاده در توسعه استانداردها و مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها در نظر گرفته شده است.

1.3 روش های تعیین مشخصات الکتریکی

1.3.1 تجهیزات اندازه گیری

اندازه‌گیری‌ها با استفاده از یک دستگاه الکترونیکی که جزئی از یک سیستم اندازه‌گیری (IS) است، با حساسیتی که اجازه می‌دهد اندازه‌گیری‌ها با وضوح حداقل 0.1% انجام شود (حداقل حساسیت باید حداقل سه مرتبه قدر کمتر باشد) انجام می‌شود. از سطح سیگنال مورد انتظار). به عنوان مثال، حداقل جریان عبوری از یک CNT نمی تواند بیش از 1 pA (10 A) باشد. بنابراین، وضوح دستگاه باید 100 aA (10 A) یا کمتر باشد. امپدانس ورودی همه اجزای IC باید سه مرتبه از بالاترین امپدانس ورودی CNT تجاوز کند. آی سی های نیمه هادی باید دارای امپدانس ورودی بین 10 اهم تا 10 اهم باشند.

سیستم اندازه گیری باید شامل یک میکروسکوپ نیروی اتمی پروب (AFM) و دستگاهی برای اندازه گیری مقادیر مشخصه جریان-ولتاژ (CV) باشد. استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها باید الزاماتی را برای کامل بودن IC تعیین کنند.

تجهیزات اندازه گیری باید مطابق با دستورالعمل سازنده تجهیزات کالیبره شوند. اگر کالیبراسیون با استفاده از استانداردهای تعیین شده برای CNT ها قابل انجام نباشد، کالیبراسیون تجهیزاتی که با آن اندازه گیری های اصلی انجام می شود (اندازه گیری ولتاژ و جریان) مطابق با اسناد نظارتیسیستم دولتی برای اطمینان از یکنواختی اندازه گیری ها. کالیبراسیون مجدد در صورت جابجایی تجهیزات اندازه گیری یا دلایل دیگری انجام می شود که ممکن است باعث تغییر در ویژگی های بازتولید شرایط اندازه گیری شود (به عنوان مثال، تغییر دما بیش از 10 درجه سانتیگراد، رطوبت نسبی (RH) بیش از بیش از 30٪ و غیره).

1.3.2 سیستم های اندازه گیری پروب

اندازه گیری ها را می توان با استفاده از آی سی های پروب برای اطمینان از نتایج قابل اعتماد انجام داد.

پروب مورد استفاده برای اندازه گیری باید دارای نوک با ابعاد مناسب باشد. پروب ها باید در شرایطی نگهداری شوند که آنها را از آلودگی محافظت کند و قبل و بعد از اندازه گیری ها با آنها استفاده شود.

1.3.3 روش های اندازه گیری

1.3.3.1 تماس اهمی

برای انجام اندازه گیری ها لازم است که یک تماس اهمی با CNT داشته باشیم. کنتاکت ها به صورت الکترودهای رسانا متصل به CNT تشکیل می شوند و در نتیجه نمونه آزمایشی (SUT) تولید می شود.

کنتاکت اهمی تماس بین فلز و نیمه هادی است که مقاومت آن به ولتاژ اعمال شده بستگی ندارد. تماس اهمی مشخص می شود وابستگی خطیبین جریان عبوری از یک کنتاکت و ولتاژ در مرزهای این کنتاکت.

اگر ولتاژ دو طرف یک کنتاکت با جریانی که از این کنتاکت می گذرد نسبت مستقیم نداشته باشد، تماسی با خواص غیر اهمی به دست می آید. صاف کردنتماس یا تماس با یک مانع شاتکی). در مدارهای ولتاژ پایین، تماس هایی با خواص غیر اهمی به دلیل ویژگی های غیر خطی اتصالات ایجاد می شود.

1.3.3.1.1 روش های بررسی وجود تماس اهمی

روشهای بررسی وجود تماس اهمی در بندهای 1.3.3.1.1.1 و 1.3.3.1.1.2 آورده شده است.

1.3.3.1.1.1 تغییر ولتاژ منبع تغذیه و محدوده اندازه گیری

آی سی های نیمه هادی برای بررسی وجود تماس اهمی استفاده می شوند. هنگام تغییر ولتاژ منبع تغذیه و محدوده اندازه گیری، قرائت دستگاه اندازه گیری باید با وضوح بالا یا پایین مناسب بسته به اینکه تغییر دامنه بیشتر یا کمتر باشد، یکسان باشد. تغییر در قرائت های دستگاه اندازه گیری وجود تماس با خواص غیر اهمی را نشان می دهد. هنگام انجام اندازه گیری ها، امکان غیر خطی بودن ویژگی های دستگاه اندازه گیری باید در نظر گرفته شود.

1.3.3.1.1.2 بدست آوردن مشخصه جریان-ولتاژ عبوری از صفر

وجود یک تماس اهمی را می توان با استفاده از روش های آزمایش شتاب بررسی کرد، در نتیجه تصویری از مشخصه ولتاژ جریان بر روی صفحه دستگاه به دست می آید. وجود یک تماس اهمی با نوع مشخصه جریان-ولتاژ بررسی می شود. اگر مشخصه جریان-ولتاژ از صفر عبور کند، یک تماس اهمی به دست می آید. اگر مشخصه جریان-ولتاژ از صفر عبور نکند، تماس با خواص غیر اهمی به دست می آید. اگر مشخصه جریان-ولتاژ غیر خطی باشد و از صفر عبور نکند، تماس با خواص غیر اهمی به دست می آید.

1.3.3.1.2 کاهش خواص تماس غیر اهمی

برای کاهش خواص غیر اهمی کنتاکت، باید از مواد مناسب برای ساخت کنتاکت (که از این به بعد الکترود نامیده می شود) استفاده کنید، به عنوان مثال، ایندیوم یا طلا. برای ساخت الکترود، مواد به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که هیچ مانع پتانسیلی در سطح مشترک بین این مواد ظاهر نشود یا سد پتانسیل آنقدر نازک باشد که تونل‌سازی حامل‌های بار امکان‌پذیر باشد.

1.3.3.2 روش های اندازه گیری برای نمونه های آزمایشی با مقاومت تا 100 کیلو اهم

اگر هنگام بررسی وجود یک کنتاکت اهمی، یک مشخصه جریان-ولتاژ به دست آید که نشان دهنده مقاومت ها تا 100 کیلو اهم است، از روش جریان مستقیم (DC) برای تعیین ویژگی های CNT ها استفاده می شود. IO با استفاده از یک مدار چهار سیم متصل می شود. برای انجام اندازه گیری ها از دستگاه اندازه گیری ولتاژ (که از این پس ولتاژ متر نامیده می شود) که الزامات بند 1.3.1 این استاندارد را برآورده می کند و منبع جریان مستقیم استفاده می شود.

شکل 1 نموداری از روش PT را برای یک EUT با مقاومت تا 100 کیلو اهم نشان می دهد. EUT با مقاومت ناشناخته با جریان مستقیم عرضه می شود که مقدار آن باید در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها مشخص شود، از طریق یک جفت پروب متصل به منبع جریان، و ولتاژ با استفاده از دیگری اندازه گیری می شود. جفت پروب (که از این پس به عنوان پروب های اندازه گیری نامیده می شود) متصل به ولتاژ متر. افت ولتاژ در پروب های اندازه گیری ناچیز است و بر نتیجه اندازه گیری تأثیر نمی گذارد. ولتاژ مستقیماً در EUT اندازه گیری می شود. مشخصات CNT ها مطابق با 5.3.2.2 تعیین می شود.

1 - منبع جریان مستقیم؛ - مقاومت ناشناخته EUT؛ - ولتاژ سنج

شکل 1 - طرح روش PT برای یک EUT با مقاومت تا 100 کیلو اهم شامل

یک جریان ناچیز (کمتر از 1 pA) از پروب های اندازه گیری عبور می کند که می توان آن را نادیده گرفت. برای از بین بردن تأثیر مقاومت سیم های اتصال بر روی نتایج اندازه گیری، پروب های اندازه گیری باید تا حد امکان کوتاه باشند.

برای انجام اندازه‌گیری‌ها، استفاده از دستگاهی مجاز است که هم منبع انرژی و هم یک دستگاه اندازه‌گیری ("دستگاه اندازه‌گیری منبع" (IS)) باشد، یعنی. عملکردهای یک منبع جریان ثابت قابل برنامه ریزی، یک منبع ولتاژ ثابت قابل برنامه ریزی، یک دستگاه اندازه گیری جریان (که از این پس به عنوان جریان سنج نامیده می شود) و یک ولتاژ سنج را انجام می دهد. هوش مصنوعی باید با الزامات 1.3.1 این استاندارد مطابقت داشته باشد، طراحی آن باید شامل یک دستگاه محدود کننده ولتاژ و جریان باشد.

با کمک هوش مصنوعی، اندازه گیری ها با استفاده از روش های دو پروب و چهار پروب انجام می شود.

هوش مصنوعی به عنوان منبع جریان ثابت پیکربندی شده است. ولتاژ خروجی در حین اندازه گیری ها نباید از مقادیر تعیین شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تجاوز کند.

شکل 2 نمودار اندازه گیری را با استفاده از روش های دو پروب و چهار پروب با استفاده از هوش مصنوعی نشان می دهد. هنگام انجام اندازه گیری ها با استفاده از روش دو پروب، ولتاژ با استفاده از پروب های "FORCE" و "COMMON" هنگام انجام اندازه گیری ها با استفاده از روش چهار پروب، با استفاده از پروب های "SENSE" و "SENSE LO" اندازه گیری می شود.

1 - منبع جریان مستقیم؛ 2 - دستگاه محدود کننده ولتاژ؛ - متر جریان؛ - ولتاژ سنج

شکل 2 - طرح اندازه گیری با استفاده از روش های دو پروب و چهار پروب با استفاده از هوش مصنوعی

1.3.3.3 روش های اندازه گیری برای نمونه های آزمایشی با مقاومت های بیشتر از 100 کیلو اهم

اگر هنگام بررسی وجود یک تماس اهمی، یک مشخصه ولتاژ جریان به دست آید که مقاومت های بیش از 100 کیلو اهم را نشان می دهد، سپس از روش ولتاژ ثابت (DC) برای تعیین ویژگی های CNT ها استفاده می شود. برای انجام اندازه گیری ها از جریان سنج که الزامات 1.3.1 این استاندارد را داشته باشد و منبع ولتاژ ثابت استفاده کنید.

شکل 3 نموداری از روش PT را برای یک EUT با مقاومت های بیشتر از 100 کیلو اهم نشان می دهد. منبع ولتاژ ثابت به صورت سری با EUT و جریان سنج متصل می شود. یک ولتاژ آزمایشی با مقاومت نامعلوم به IO اعمال می شود که مقدار آن باید در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها مشخص شود و جریان با جریان سنج اندازه گیری می شود. از آنجایی که ولتاژ دو سوی متر جریان ناچیز است، اساساً تمام ولتاژ به EUT اعمال می شود. مشخصات CNT ها مطابق با 5.3.2.2 تعیین می شود.

1 - منبع ولتاژ ثابت، - مقاومت ناشناخته EUT؛ - کنتور فعلی

شکل 3 - نمودار روش PN برای EUT با مقاومت های بیشتر از 100 کیلو اهم

پس از انجام چندین اندازه گیری، نمودار مقاومت در برابر ولتاژ رسم می شود.

برای انجام اندازه گیری ها، می توان از هوش مصنوعی استفاده کرد که به عنوان منبع ولتاژ ثابت پیکربندی شده است. مقدار جریان عبوری از EUT در طول اندازه گیری ها نباید از مقادیر تعیین شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تجاوز کند.

مقدار ولتاژ خروجی با استفاده از پروب های "FORCE" و "COMMON" (روش دو پروب) یا با استفاده از پروب های "SENSE" و "SENSE LO" (روش چهار پروب) کنترل می شود. اگر مقدار ولتاژ اندازه گیری شده با مقدار تنظیم شده مطابقت نداشته باشد، منبع ولتاژ تنظیم می شود تا مقدار مربوطه به دست آید. استفاده از روش چهار پروب افت ولتاژ در سیم های اتصال را از بین می برد و تضمین می کند که ولتاژ دقیقاً مشخص شده در EUT ظاهر می شود.

1.3.4 تکرارپذیری نتایج اندازه گیری و نمونه برداری

روش نمونه‌گیری، اندازه نمونه بهینه و روش‌های تعیین تکرارپذیری نتایج اندازه‌گیری باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT‌ها تعیین شود. هنگام انتخاب نمونه برای نمونه، باید در نظر داشت که CNT های تولید شده با روش های مختلف از نظر خصوصیات متفاوت هستند.

اطلاعات زیر مشخص شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها باید در پروتکل اندازه گیری (از این پس پروتکل نامیده می شود) ثبت شود:

- مقادیر ویژگی های CNT لازم برای انجام اندازه گیری ها؛

- روش های نمونه گیری

- مقادیری که نتایج به دست آمده باید با آنها مطابقت داشته باشد و مقادیر لازم برای تعیین تکرارپذیری نتایج اندازه گیری (به عنوان مثال، مقادیر متوسط، مقادیر حدی، انتظارات ریاضی ویژگی های اندازه گیری شده، انحرافات استاندارد و غیره).

اگر اندازه نمونه در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها مشخص نشده باشد، اندازه گیری ها روی یک نمونه انجام می شود. در این مورد، اطلاعات لازم برای تعیین تکرارپذیری نتایج اندازه گیری در پروتکل گنجانده نشده است.

1.3.5 تکرارپذیری نتایج اندازه گیری

بسترهای EUT روی صفحه زمین نصب شده بر روی مرحله میکروسکوپ قرار می گیرند و اندازه گیری های متوالی انجام می شود. برای تعیین تکرارپذیری نتایج اندازه گیری، دو یا چند بستر EUT باید روی صفحه زمین قرار داده شود.

تکرارپذیری نتایج اندازه گیری با روش های تعیین شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تعیین می شود.

در طول فرآیند اندازه گیری، شرایط باید بازتولید شوند محیط زیست، در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تعیین شده است.

1.3.5.1 تکرارپذیری اندازه گیری های آی سی

تکرارپذیری اندازه گیری های IC را می توان با انجام اندازه گیری های I-V بر روی چندین نمونه استاندارد که CNT نیستند تعیین کرد. این گونه نمونه های استاندارد باید طبق روال تعیین شده تایید و ثبت شوند.

1.3.5.2 تکرارپذیری نتایج اندازه گیری های متعدد انجام شده بر روی یک نمونه

هنگام انجام اندازه گیری ها، EUT آسیب دیده است، در نتیجه ویژگی های الکتریکی آن تغییر می کند. بنابراین، فقط یک اندازه گیری را می توان در همان EUT انجام داد (=1، که تعداد اندازه گیری ها کجاست). تکرارپذیری نتایج اندازه گیری های متعدد انجام شده بر روی یک نمونه مشخص نشده است.

1.3.5.3 تکرارپذیری نتایج اندازه گیری های مکرر انجام شده بر روی نمونه های یکسان

تکرارپذیری اندازه‌گیری‌های چندگانه را می‌توان با انجام اندازه‌گیری‌ها بر روی EUTهای یکسان تعیین کرد (چند لایه با EUTهای یکسان بر روی یک صفحه زمین نصب شده بر روی مرحله میکروسکوپ قرار می‌گیرند). باید در نظر داشت که تفاوت بین CNT ها یا بسته های CNT ها (تعداد CNT ها در یک بسته، نوع CNT ها، پیکربندی آرایش CNT ها در یک بسته، طول CNT ها و غیره) تاثیر می گذارد. نتایج اندازه گیری

1.3.5.4 مواد مرجع

تکرارپذیری نتایج اندازه گیری انجام شده با استفاده از همان نوع IC برای اهداف مشابه را می توان با استفاده از نمونه های استاندارد تعیین کرد. استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها باید تعیین کنند:

- الزامات برای نمونه های استاندارد؛

- الزامات روش های استخراج و قرار دادن CNT جداگانه روی یک بستر.

- الزامات تست های چرخه ای برای تعیین تکرارپذیری درون آزمایشگاهی و بین آزمایشگاهی نتایج اندازه گیری.

1.3.6 راه های کاهش تأثیر تداخل در نتایج اندازه گیری

برای کاهش تأثیر نویز بر نتایج اندازه گیری و به دست آوردن بهترین نسبت سیگنال به نویز، لازم است اطمینان حاصل شود که EUT به درستی زمین شده است، به عنوان مثال با استفاده از یک مدار امپدانس کم.

برای کاهش تأثیر تداخل ایجاد شده توسط خواص غیر اهمی کنتاکت بر نتایج اندازه گیری، دامنه تغییرات در ولتاژ خروجی منبع جریان باید به اندازه کافی بزرگ باشد.

برای کاهش تداخل مدارها ACحفاظ و زمین را انجام دهید.

CNT ها به نور حساس هستند. اگر نتایج به‌دست‌آمده از اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در شرایط نور با نتایج اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در شرایط نوری بیش از 1٪ متفاوت باشد، اندازه‌گیری‌ها در داخل یک محفظه ضد نور انجام می‌شود که باید به زمین (برای ایمنی) باشد.

با توجه به امپدانس ورودی آی سی مطابق با بند 1.3.1 و نیاز به اندازه گیری مقادیر جریان کمتر از 1 میکروآمپر یا ولتاژ کمتر از 1 میلی ولت، تمام منابع بالقوه تداخل الکترومغناطیسی یا فرکانس رادیویی باید تا حد امکان دورتر از آی سی هنگام اندازه گیری

2 اصطلاحات، تعاریف، نمادها و اختصارات

2.1 اصطلاحات و تعاریف

عبارات زیر با تعاریف مربوطه در این استاندارد اعمال می شود:

2.1.1 نانولوله کربنی(نانولوله کربنی): اصلاح آلوتروپیک کربن متشکل از حداقل یک لایه گرافن که در یک استوانه نورد شده است.

2.1.2 کایرالیتهکایرالیته: خاصیت ساختار شیمیاییبا انعکاس خود در یک آینه صاف ناسازگار باشد.

2.1.3 نمونه آزمایشی(دستگاه تحت آزمایش): نمونه ای که مخصوصاً برای اندازه گیری با روش های مشخص شده در این استاندارد آماده شده است.

2.1.4 شرایط محیطیشرایط محیطی: شرایط طبیعی یا مصنوعی که EUT در هنگام ذخیره سازی و اندازه گیری در معرض آن قرار می گیرد.

2.1.5 کاوشگر "FORCE"، "COMMON"(پروب "FORCE"، "COMMON"): پروبهایی که به کمک آنها ولتاژ (جریان) با مقدار معینی به EUT اعمال می شود و مشخصات جریان-ولتاژ با استفاده از روش دو پروب اندازه گیری می شود.

2.1.6 ولتاژ تست(ولتاژ نیرو) افزایش ولتاژ(NDP): ولتاژی که با استفاده از پروب هایی از منبع ولتاژ ثابت به EUT عرضه می شود.
________________
این ترجمه تحت اللفظیبه زبان روسی اصطلاح ارائه شده در استاندارد بین المللی، که در این استاندارد با مترادف آن جایگزین شده است، که با دقت بیشتری ماهیت مفهوم بیان شده در تعریف زیر را نشان می دهد.

2.1.7 صفحه زمین(چاک زمینی) نگهدارنده زمین* (NDP): یک بستر رسانا متصل به یک سیستم اتصال به زمین الکتریکی که زیرلایه حاوی EUT روی آن قرار دارد.

2.1.8 مدار چهار سیمه(اندازه گیری کلوین) اندازه گیری کلوین* (NDP): طرحی برای اتصال EUT به مدار اندازه گیری با استفاده از چهار سیم (پروب): دو سیم (پروب) برای اتصال به مدار حامل جریان، دو سیم دیگر (پروب) برای اتصال به مدار استفاده می شود. برای اندازه گیری ولتاژ
________________



یادداشت ها

1 این طرح برای اتصال EUT به ما امکان می دهد تأثیر افت ولتاژ در مقاومت سیم ها را بر نتایج اندازه گیری حذف کنیم.

2 نمودار اتصال نمونه چهار سیم برای مشخص کردن موادی استفاده می شود که مقاومت الکتریکی آنها مانند تماس ها و سیم های اتصال یا پایین تر است.

2.1.9 نانولوله کربنی چند جداره(نانولوله کربنی چند جداره): نانولوله ای متشکل از مجموعه ای از نانولوله های کربنی تک جداره تو در تو یا یک ورق نورد شده از گرافن.

2.1.10 کاوشگر "SENSE"، "SENSE LO"(پروب های "SENSE"، "SENSE LO"): پروب هایی که ولتاژ روی EUT را با استفاده از روش چهار پروب اندازه گیری می کنند.

2.1.11 نانولوله کربنی تک جداره(نانولوله کربنی تک جداره): نانولوله ای متشکل از یک لایه استوانه ای منفرد از گرافن.

2.1.12 هدایت الکتریکی(امکان حمل و نقل) انتقال ملک* (NDP): خاصیت یک ماده برای هدایت جریان الکتریکی.
________________
* این یک ترجمه تحت اللفظی به زبان روسی از اصطلاح ارائه شده در استاندارد بین المللی است که در این استاندارد با مترادف آن جایگزین شده است که با دقت بیشتری ماهیت مفهوم بیان شده در تعریف زیر را نشان می دهد.

2.2 نمادها و اختصارات

در این استاندارد از علائم و اختصارات زیر استفاده شده است:

			میکروسکوپ نیروی اتمی;
			- "منبع سنج" (دستگاهی که منبع تغذیه و دستگاه اندازه گیری است).
			نمونه آزمایشی؛
			سیستم اندازه گیری؛
MNT (MWNT)			نانولوله چند جداره؛
روش PN (FVMC)			روش ولتاژ ثابت؛
روش FC (FCMV)			روش DC؛
روشن (SWNT)			نانولوله تک جداره؛
PEM (TEM)			میکروسکوپ الکترونی عبوری؛
SEM			میکروسکوپ الکترونی روبشی؛
STM			میکروسکوپ تونل زنی روبشی؛
CNT			نانولوله کربنی؛
CVD			رسوب بخار شیمیایی؛
			رطوبت نسبی هوا

3 اطلاعات در مورد نانولوله های کربنی مشمول ثبت نام

ویژگی های ابعادی و ساختاری CNT ها بر ویژگی های الکتریکی آنها تأثیر می گذارد. استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها باید ویژگی های ابعادی و ساختاری CNT ها و روش های اندازه گیری مورد استفاده برای تعیین این ویژگی ها را نشان دهد. اگر مشخصات ابعادی و ساختاری CNT ها مشخص نشده باشد، استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها باید اطلاعاتی در مورد دلایل غیرممکن بودن تعیین این ویژگی ها ارائه دهند.

نکته - هنگام تعیین مشخصات ابعادی نانولوله های کربنی با استفاده از AFM باید خطای ناشی از شعاع انحنای نوک پروب را در نظر گرفت.


این پروتکل ویژگی های ابعادی و ساختاری CNT های جداگانه و روش های اندازه گیری مورد استفاده برای تعیین این ویژگی ها را ثبت می کند. اطلاعات زیر در پروتکل ثبت می شود:

- نانولوله چند جداره (MNT) یا نانولوله تک جداره(ONT)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)؛

- MNT یک رول است، متشکل از SWNT های متحدالمرکز یا دسته های SWNT که در کنار هم قرار گرفته اند و یک "طناب" FEM را تشکیل می دهند.

- طول CNT بین الکترودها، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM).

- قطر بیرونی CNT، FEM، SEM؛

- قطر داخلی CNT، FEM؛

- تعداد دیواره های CNT، FEM؛

- تعداد نقص در CNT ها، FEM؛

- تعداد پارتیشن های داخل CNT (برای CNT های نوع "بامبو")، FEM؛

- کایرالیته CNT، میکروسکوپ تونل روبشی (STM).

3.1 اطلاعات در مورد نانولوله های تک جداره

3.1.1 روش های ساخت و پردازش پس از ساخت

این پروتکل اطلاعاتی را در مورد روش های تولید SWNT ها ثبت می کند (به عنوان مثال، عدم تناسب مونوکسید کربن، رسوب شیمیاییاز فاز گاز (CVD)، فرسایش لیزری، روش قوس الکتریکی و غیره) و روش‌های پردازش SWNT‌ها پس از ساخت به منظور تمیز کردن شیمیایی، جدا کردن بسته‌های SWNT به بسته‌های کوچکتر یا نانولوله‌های جداگانه، به دست آوردن مشتقات شیمیایی و مرتب‌سازی SWNT بر اساس اندازه و ویژگی های ساختاری روش های ساخت SWNT ها و روش های پردازش SWNT ها پس از ساخت باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود.

3.1.2 مشخصات ابعادی و ساختاری

پروتکل مشخصات ابعادی و ساختاری SWNT را ثبت می کند:

- طول؛

- قطر؛

- کایرالیته

3.1.3 اطلاعات اضافی

این پروتکل شامل اطلاعات اضافی در مورد CNT های مشخص شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها است، به عنوان مثال:

- ONT خالی یا پر شده (موادی که ONT با آن پر شده است نیز نشان داده شده است).

- انتهای ONT باز یا بسته است.



- و غیره

3.2 اطلاعات در مورد نانولوله های چند جداره

3.2.1 روش های ساخت و پردازش پس از ساخت

این پروتکل اطلاعاتی را در مورد روش های ساخت MNT ها (به عنوان مثال، CVD، فرسایش لیزری، روش قوس الکتریکی و غیره) و روش های پردازش MNT ها پس از تولید به منظور تصفیه شیمیایی، تقسیم بسته های MNT به بسته های کوچکتر یا نانولوله های جداگانه، ثبت می کند. به دست آوردن مشتقات شیمیایی و مرتب سازی MNT ها بر اساس ویژگی های ابعادی و ساختاری. روش های ساخت MNT ها و روش های پردازش MNT ها پس از تولید باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود.

3.2.2 مشخصات ابعادی و ساختاری

این پروتکل ویژگی های ساختاری و ابعادی MNT ها را ثبت می کند:

- تعداد دیوارها؛

- طول؛

- قطر بیرونی

3.2.3 اطلاعات اضافی

این پروتکل شامل اطلاعات اضافی در مورد MNT است که در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT مشخص شده است، به عنوان مثال:

- MNT خالی یا پر شده (ماده ای که MNT با آن پر می شود نیز نشان داده شده است).

- انتهای MNT باز یا بسته است.

- محتوای مشتقات حاصل؛

- و غیره

4 اطلاعات در مورد الکترودهای مشمول ثبت نام

این پروتکل اطلاعاتی را در مورد روش های ساخت الکترود ثبت می کند. روش های ساخت الکترودها (به عنوان مثال، رسوب گذاری پرتو الکترونی، رسوب گذاری با استفاده از پرتوهای یون متمرکز، تشکیل الکترود بر اساس الگوی داده شده با استفاده از COGW، تشکیل CNT ها بین الکترودها، خود مونتاژ، روش های پروب و غیره) باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها.

پروتکل اطلاعات مربوط به اتصال الکترود و CNT (از این پس به عنوان اتصال جوش داده شده نامیده می شود) را ثبت می کند، که باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT مشخص شود، از جمله:

- طول CNT متصل به الکترود؛

- قطر CNT متصل به الکترود؛

- ضخامت اتصال جوش داده شده؛

- ترکیب شیمیاییاتصال جوش داده شده؛

- روش تولید اتصال جوش داده شده (در صورتی که به روش ساخت الکترود بستگی نداشته باشد نشان داده شده است).

4.1 مواد مورد استفاده برای ساخت الکترودها

این پروتکل اطلاعات مربوط به مواد مورد استفاده برای ساخت الکترودها را ثبت می کند [به عنوان مثال، طلا (Au)]. اطلاعات مربوط به مواد مورد استفاده برای ساخت الکترودها باید در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها مشخص شود.

4.2 فرآیندهای تولید الکترود

این پروتکل شامل اطلاعاتی در مورد فرآیندهای تولید الکترود است که باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود، به عنوان مثال:

- فرآیند ساخت الکترودها را با استفاده از رسوب پرتو الکترونی شرح دهید و پارامترهای حالت های تکنولوژیکی را نشان دهید.

- فرآیند تولید الکترودها با رسوب گذاری با استفاده از پرتوهای یون متمرکز را شرح دهید و پارامترهای حالت های تکنولوژیکی را نشان دهید.

- ماده ای را که بستر از آن ساخته شده است را نشان دهید.

- مشخصات سطح زیرلایه را قبل از ساخت الکترود نشان دهید.

- روش های تصفیه سطح بستر را قبل و بعد از ساخت الکترود و همچنین بین مراحل فرآیند ساخت الکترود (به عنوان مثال، شیمیایی، مکانیکی و غیره) نشان دهید.

4.3 ویژگی های ابعادی

پروتکل مشخصات ابعادی الکترودها را ثبت می کند که باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود، از جمله:

- طول، سانتی متر، میکرومتر، نانومتر؛

- عرض، سانتی متر، میکرومتر، نانومتر؛

- ضخامت، سانتی متر، میکرومتر، نانومتر.

5 تعریف خصوصیات

5.1 اطلاعات در مورد طرح نمونه آزمون مشمول ثبت نام

ویژگی های CNT ها بر اساس نتایج اندازه گیری های UT ساخته شده مطابق با استانداردها یا مشخصات برای انواع خاصی از CNT ها تعیین می شود. IO یک دستگاه دو ترمینال (CNT با دو الکترود متصل) است. IO از یک CNT واحد ساخته شده است. تولید IR از بسته‌ای از CNT‌ها امکان‌پذیر است، زیرا استخراج یک نانولوله منفرد در شرایط تولید انبوه دشوار و غیرعملی است.

این پروتکل شامل اطلاعاتی در مورد طراحی EUT، از جمله مشخصات ابعادی، محل الکترودها و غیره است، به عنوان مثال:

- محل و اتصال اولین الکترود به زیرلایه را شرح دهید.

- محل و اتصال الکترود دوم به زیرلایه را شرح دهید.

- فاصله بین الکترود اول و دوم را نشان دهید.

5.2 اطلاعات در مورد روش های ساخت نمونه آزمایشی مشمول ثبت نام

این پروتکل شامل اطلاعاتی در مورد فرآیندهای ساخت IR است که باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود، به عنوان مثال:

- ماده ای را که بستر از آن ساخته شده است نشان دهید (زیر باید از مواد عایق الکتریکی ساخته شده باشد).

- فرآیند تولید IO را شرح دهید.

- روش های تصفیه سطح بستر را قبل و بعد از ساخت IR و همچنین بین مراحل فرآیند ساخت IR (به عنوان مثال شیمیایی، مکانیکی و غیره) نشان دهید.

5.3 تعیین مشخصات، پردازش و ثبت نتایج

5.3.1 الزامات اندازه گیری

محدوده اندازه گیری باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تعیین شود. مرحله گسستگی به گونه ای تنظیم شده است که حداقل ده نقطه مقدار برای ساخت مشخصه جریان-ولتاژ به دست آید. توصیه می شود منحنی I-V را با استفاده از بیست و پنج نقطه یا بیشتر ترسیم کنید (هر چه نقاط بیشتر باشد، منحنی با دقت بیشتری تقریب می شود و نسبت سیگنال به نویز بالاتری حاصل می شود و بنابراین مقادیر دقیق تری از ویژگی های EUT بدست خواهد آمد). پروتکل ثبت می کند اطلاعات دقیقدر مورد تعداد نقاط در هر بعد (به عنوان مثال، تعداد گذرا، مراحل، نقاط اندازه گیری، و غیره).

مقادیر اندازه گیری شده باید کل محدوده مورد انتظار مقادیر عملیاتی EUT را منعکس کند.

محدوده مقادیر مشخص شده باید کل محدوده مقادیر عملیاتی EUT را پوشش دهد، به عنوان مثال. در طول فرآیند اندازه گیری، مقادیر باید به گونه ای تنظیم شوند که ویژگی های تعیین شده EUT کل محدوده مورد انتظار مقادیر عملیاتی را نشان دهد.

محدوده مقادیر عملیاتی باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تعیین شود.

بستر EUT باید در تماس الکتریکی با صفحه زمین متصل به سیستم زمین توسط یک سیم محافظ باشد.

اگر اندازه گیری ها مطابق با 1.3.3.3 انجام شود، آنگاه یک پروب به هر الکترود EUT اعمال می شود. اگر اندازه گیری ها مطابق با 1.3.3.2 انجام شود، دو پروب به هر الکترود EUT اعمال می شود.

5.3.2 انجام اندازه گیری ها، پردازش و ثبت نتایج

5.3.2.1 مشخصات الکتریکی CNTهای مشمول ثبت

جدول 1 مشخصات الکتریکی CNT ها را نشان می دهد که از نتایج اندازه گیری EUT تعیین شده و در پروتکل ثبت شده است.


جدول 1 - مشخصات الکتریکی CNT ها که از نتایج اندازه گیری UT تعیین و در پروتکل ثبت شده است.

نام مشخصه	تعیین حروف	واحد اندازه گیری
هدایت الکتریکی
مقاومت الکتریکی
تحرک حامل شارژ
غلظت حامل اصلی
غلظت الکترون ها - حامل های بار
غلظت سوراخ ها - حامل های شارژ
جریان اشباع بایاس معکوس

5.3.2.2 تعیین رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی

CNT ها بسته به رسانایی الکتریکی خود می توانند خواص دی الکتریک، نیمه هادی و رسانایی داشته باشند. برای نانولوله های کربنی با خواص دی الکتریک و نیمه هادی، مقدار رسانایی الکتریکی خاص باید در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از CNT ها مشخص شود. برای نانولوله های کربنی با خواص رسانا، مقدار مقاومت الکتریکی باید در استانداردها یا مشخصات فنی انواع خاصی از نانولوله های کربنی نشان داده شود.

هدایت الکتریکی خاص، S/cm و مقاومت الکتریکی ویژه، اهم سانتی متر، از نتایج اندازه گیری UT با مشخصه جریان-ولتاژ خطی در حضور کنتاکت های اهمی (به 1.3.3.1) با استفاده از PT تعیین می شود (نگاه کنید به PT). 1.3.3.2) و PN (به 1.3.3.3 مراجعه کنید).

روش PT برای EUT هایی با مقاومت تا 100 کیلو اهم استفاده می شود. یک جریان الکتریکی مستقیم با مقدار چگالی معین، A/cm، از TS عبور می‌کند و ولتاژ تعیین می‌شود. میدان الکتریکی، V/cm. اندازه‌گیری‌ها با استفاده از روش چهار پروب انجام می‌شود: جریان الکتریکی از پروب‌های بیرونی واقع در مرزهای بیرونی EUT عبور می‌کند و ولتاژ با دو پروب داخلی اندازه‌گیری می‌شود.

روش PN برای EUT های با مقاومت بیش از 100 کیلو اهم استفاده می شود. یک میدان الکتریکی یکنواخت با مقدار شدت معین V/cm روی TS ایجاد می‌شود و چگالی جریان الکتریکی A/cm که در TS جریان دارد، تعیین می‌شود. اندازه گیری ها با استفاده از روش دو پروب انجام می شود.

مقدار شدت میدان الکتریکی یا داده های لازم برای تعیین مقدار شدت میدان الکتریکی باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها مشخص شود.

مقادیر هدایت الکتریکی خاص و / یا مقاومت الکتریکی خاص با فرمول (1) تعیین می شود.

مقدار چگالی جریان الکتریکی A/cm کجاست.

- مقدار هدایت الکتریکی خاص، S/cm؛


- مقدار مقاومت الکتریکی خاص، اهم سانتی متر.

چگالی جریان الکتریکی مقداری برابر با نسبت قدرت جریان، A، به سطح مقطع، سانتی متر، IO است. قدرت میدان الکتریکی مقداری است برابر با نسبت اختلاف پتانسیل بین دو پروب V به فاصله بین این پروب ها سانتی متر.

توجه - اگر اندازه گیری سطح مقطع UT غیرممکن باشد، چگالی جریان الکتریکی، هدایت الکتریکی و مقاومت الکتریکی با استفاده از روش های دیگر تعیین می شود که شامل تعیین ویژگی های هندسی تعیین شده در استانداردها یا مشخصات فنی برای موارد خاص است. انواع CNT ها

5.3.2.3 تعیین غلظت حامل اکثریت و تحرک حامل بار

غلظت حامل های بار اصلی سانتی متر و تحرک حامل های بار cm/V s با روش اثر هال تعیین می شود. یک جریان الکتریکی با یک مقدار چگالی معین، A/cm، از طریق TS در جهت محور عبور می کند، میدان مغناطیسی با شدت معین، G، عمود بر محور در جهت محور ایجاد می شود. قدرت میدان الکتریکی حاصل، V/cm، بر روی TS در جهت محور (به نام میدان میدان) اندازه گیری می شود. غلظت حامل های بار اصلی، سانتی متر، با فرمول (2) تعیین می شود.

غلظت حامل های بار اصلی کجاست، سانتی متر؛


- مقدار چگالی جریان الکتریکی، A/cm؛

- مقدار قدرت میدان الکتریکی، V/cm؛

- مقدار کشش میدان مغناطیسی، جی اس.

علامت "+" یا "-" در جلو نشان دهنده نوع هدایت الکتریکی است: سوراخ (نوع) یا الکترونیکی (نوع).

مقدار تحرک حامل بار، cm/V s، بسته به مقادیر رسانایی الکتریکی خاص، S/cm (نگاه کنید به 5.3.2.2) و غلظت حامل های بار اصلی، سانتی متر، با فرمول (3) تعیین می شود.

مقدار تحرک حامل شارژ، cm/V ثانیه کجاست.

- بار الکترون، 1.602·10 C;

- مقدار غلظت حامل های بار اصلی، سانتی متر؛

- مقدار هدایت الکتریکی خاص، S/cm.

تحرک حامل شارژ، که مقدار آن با فرمول (3) تعیین می شود، متفاوت است تحرک حامل های بار تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی،که بر روی دستگاه هایی با اثر میدانی (مثلاً ترانزیستورهای اثر میدانی) اندازه گیری می شود.

5.3.2.4 تعیین جریان اشباع با بایاس معکوس

جریان اشباع در بایاس معکوس، A، از نتایج اندازه‌گیری UTهای یکسوکننده با مشخصه غیرخطی I-V تعیین می‌شود.

برای یک IO با اتصال الکترون به حفره (اتصال)، مقدار جریان اشباع در بایاس معکوس با فرمول (4) تعیین می شود.

مقدار جریان اشباع در بایاس معکوس کجاست، A.

- مقدار سطح مقطع UT، سانتی متر؛

- درجه حرارت، K؛

- مقدار غلظت حامل های بار اقلیت در هر ناحیه از نیمه هادی، سانتی متر؛

- مقدار تحرک حامل شارژ، cm/V s.

- مقدار طول انتشار، سانتی متر؛

- ثابت بولتزمن 1.381·10 J/K.

زیرنویس ها و نشان دهنده الکترون ها در ناحیه - و حفره های - منطقه هستند.

برای یک IO با اتصال فلز-نیمه هادی (تماس با مانع شاتکی)، مقدار جریان اشباع در بایاس معکوس با فرمول (5) تعیین می شود.

ثابت ریچاردسون کجاست.

- مقدار تابع کار الکترون ها از هادی، eV.

- مقدار تابع کار الکترون ها از نیمه هادی، eV.


- پایه لگاریتم طبیعی، برابر با 2.718.

وابستگی ولتاژ الکتریکی V به جریان الکتریکی A با فرمول (6) تعیین می شود.

مقدار جریان الکتریکی A کجاست.

- مقدار ولتاژ الکتریکی، V؛

- مقدار جریان اشباع در بایاس معکوس، A.

- پایه لگاریتم طبیعی برابر با 2.718؛

- بار الکترون، 1.602·10 C;

- ثابت بولتزمن، 1.381·10 J/K;

- دما، K.

5.3.2.5 ثبت شرایط محیطی

در پروتکل، همراه با مقادیر به دست آمده از ویژگی های الکتریکی، شرایط محیطی در طول ذخیره سازی EUT و اندازه گیری ها ثبت می شود. الزامات برای نظارت و ثبت شرایط محیطی در 5.4 آورده شده است.

5.3.2.6 خصوصیات غیر الکتریکی CNTهای مشمول ثبت

جدول 2 مشخصات غیر الکتریکی CNT ها را نشان می دهد که می توان آنها را در طول فرآیند اندازه گیری به دست آورد و باید همراه با مشخصات الکتریکی ثبت شود. اطلاعات مربوط به مشخصات غیر الکتریکی ثبت شده در پروتکل باید با اصطلاحات، نمادها و واحدهای اندازه گیری ارائه شده در جدول 2 مطابقت داشته باشد.


جدول 2 - مشخصات غیر الکتریکی CNT های مشمول ثبت

نام مشخصه	تعیین حروف	واحد اندازه گیری
حرارتی
هدایت حرارتی		mW/(cm K) یا W/(m K)
ضریب emf حرارتی
مکانیکی
استحکام کششی
مدول الاستیسیته

5.4 الزامات برای نظارت و ثبت شرایط محیطی

برای اطمینان از امکان مقایسه نتایج اندازه گیری و تأیید داده ها، پروتکل شرایط محیطی را در طول ذخیره سازی EUT و عملکرد اندازه گیری ها ثبت می کند.

در طول ذخیره سازی EUT، شرایط محیطی می تواند تأثیر قابل توجهی بر ویژگی های آن داشته باشد و تغییرات در شرایط محیطی می تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در ویژگی های EUT شود. پروتکل باید شرایط محیطی را در طول ذخیره سازی EUT (از لحظه ساخت تا شروع اندازه گیری) ثبت کند.

در طول اندازه گیری ها، شرایط محیطی در طول هر اندازه گیری (حداقل در ابتدا و انتهای اندازه گیری) پایش و ثبت می شود. شرایط محیطی به طور مداوم (در زمان واقعی) برای هر مقدار اندازه گیری به دست آمده ثبت می شود.

شرایط محیطی با روش هایی که کمترین تأثیر را بر شرایط محیطی دارند تا حد امکان به EUT کنترل می شوند.

الزامات روش های کنترل محیطی باید در استانداردها یا مشخصات فنی برای انواع خاصی از CNT ها تعیین شود.

شرایط محیطی زیر مشمول نظارت و ثبت است:

- شرایط جوی که ابزار در آن قرار دارد (به عنوان مثال، هوای اتمسفر، محیط نیتروژن، خلاء و غیره).

- شرایط و مدت قرار گرفتن در معرض نور در EO (به عنوان مثال، مدت زمان EO در تاریکی، استفاده از محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و غیره). تغییرات در شرایطی که EUT در معرض نور قرار می گیرد (به عنوان مثال، مدت زمان قرار گرفتن EUT در تاریکی پس از قرار گرفتن در معرض نور و قبل از اندازه گیری).

- دمای UT (توصیه می شود از ابزارهایی استفاده کنید که اندازه گیری ها را با دقت حداکثر 0.1 درجه سانتیگراد یا 0.1 کلوین انجام می دهند ، استفاده از ابزارهایی با دقت حداکثر 1 درجه سانتیگراد یا 1 K مجاز است).

- رطوبت نسبی هوا (RH) (توصیه می شود از ابزارهایی برای اندازه گیری RH با دقت 1±٪ استفاده شود، استفاده از ابزارهایی با دقت ± 5٪ مجاز است).

- زمان و مدت اندازه گیری (به منظور تعیین تأثیر مدت زمان اندازه گیری بر عمر مفید CNT ها).

کتابشناسی

	IEEE 100 فرهنگ لغت معتبر اصطلاحات استاندارد IEEE، چاپ هفتم
	SEMI E89، راهنمای تجزیه و تحلیل سیستم اندازه گیری (MSA).

UDC 661.666:006.354 OKS 07.030
17.220.20

واژه‌های کلیدی: نانولوله‌های کربنی، روش‌های تعیین ویژگی‌های الکتریکی
__________________________________________________________________________________

متن سند الکترونیکی
تهیه شده توسط Kodeks JSC و تأیید شده در برابر:
انتشار رسمی
M.: Standartinform، 2014