Наноэлектромеханика углеродных низкоразмерных систем

Министерство образования и науки РФ
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(Государственный технологический университет)

Факультет Электронной Техники

Кафедра Электронных приборов


Курсовая работа
по дисциплине
Приборы и устройства наноэлектроники
на тему:
Наноэлектромеханика углеродных низкоразмерных систем

Выполнил:
ст-т гр. ЭМб-11-3
Рогожин А.В.
Проверил:
Мустафаев Г. А.


Владикавказ 2014
Содержание
Введение 4
1 Наноэлектромеханика 5
2 Наноэлектромеханика и углеродные низкоразмерные системы ……8
2.1 Углеродные нанотрубки 12
2.2 Углеродные нановолокна 19
2.3 Фуллерены………………………………………………………...23
3 Сиcтемы NEMS ……………………………………………………….22
3.1 Метод согласования………………………………………………24
3.2 Метод Мори-Танака 25
Заключение 26
Список использованных источников: 27

 
Введение
В современной микроэлектронике наиболее интенсивноразвивающимся сектором являются микроэлектромеханические системы, MEMS. Это направление базируется на последних достиженияхмикроэлектронных технологий и имеет целью созданиеисполнительных микромеханизмов,обладающих недостижимыми ранее функциональными возможностями.В последние годы NEMS оказывает большое влияние наповседневную жизнь десятков миллионов людей,черезсоздания новых рынков мобильной электроники,обладающих ранее неизвестными потребительскимисвойствами и на отрасли промышленности,-автомобильную, электрон-ную,аэрокосмическую,медицинскую и т.д. Однако к настоящему времени большинство специалистов,разработчиков электронной техники и пользователейустройств высоких технологий обладает недостаточнойинформацией о новом направлении микроэлектроники. В книге рассматривается современное состояния этогонаправления микроэлектроники, широкий спектр егопрактических возможностей и перспектив дальнейшегоразвития. Рассматриваются физические принципыфункционирования MEMS, их характеристики.Книга рассчитана на специалистов в областимикроэлектроники, информатики, и на студентовтехнических вузов.











1 Наноэлектромеханика

Прогресс в разработке нано- и микроэлектромеханических устройств и систем обещает такую же революцию в технике, какую совершила микроэлектроника в электронике. Микроэлектромеханика стала самостоятельным направлением 15-20 лет назад. Основой этого направления являются объединение поверхностной микрообработки, развитой в микроэлектронной технологии, с объемной обработкой и использование новых материалов и физических эффектов. Бурный рост микроэлектромеханики, являющейся, по сути, междисциплинарным направлением, связан, прежде всего, с широким использованием микроэлектронных технологий с сотовой микроструктурой. Такой подход позволил за короткое время создать новые объемные конструктивные элементы мембраны, балки, полости, отверстия с большим аспектным соотношением (калибром), за счет использования так называемых LiGA-технологий на основе синхротронного излучения и т.д. Это обеспечило прорыв в области микродвигателей микророботов, микронасосов для микрофлюидики, сверхчувствительных сенсоров различных физических величин (давления, ускорения, температуры и др.), микрооптики. Так, микромеханические датчики в современных автомобилях являются основой систем безопасности (воздушные подушки), контроля за состоянием колес, подвески и т.п. Но наиболее ярким представителем микроэлектромеханических систем служат сканирующие зондовые микроскопы, являющиеся основой не только ряда измерительных систем в нанометровом диапазоне, но и основой технологических устройств для нанотехнологии.
Переход к наноэлектромеханике связан с использованием нанотехнологии и новых физических эффектов. Так, при создании полостей важного компонента различных устройств - используются все в большей мере самоорганизующиеся процессы (углеродные нанотрубки, пористые мембраны на основе оксида алюминия). Это позволяет увеличить воспроизводимость, повысить надежность, поскольку малейшие изменения размеров, связанные с использованием традиционных технологий, ведут к экспоненциально сильному изменению параметров.
В развитых зарубежных странах этому направлению уделяется большое внимание создаются исследовательские институты, развернута подготовка специалистов. В США этими вопросами занимаются такие известные фирмы, как Intel, NEMS Industry Group, Sandia National Labs. Рассматриваемый круг вопросов от ручки без разбрызгивания чернил до беспроволочной передачи данных, оптических устройств управления оружием и миниспутников. Агентство перспективных разработок МО США реализует программу "Умная пыль", направленную на создание сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, накапливать и передавать информацию.
Интеллектуальные нанотехнологтеские комплексы на базе скани-рующей зондовой техники . Высоковакуумные комплексы, обеспечивающие локальную модификацию поверхности (фазового состава, потенциального и пространственного рельефа, структурной перестройки) в нанометровых областях. Модификация осуществляется за счет полевых, механических и тепловых воздействий, а также за счет ввода реактивных сред непосредственно в область воздействия под зондом. Для повышения производительности необходимы многозондовые картриджи и устройства прецизионного многократного позиционирования.
Технологии самоорганизации и самосборки. При уменьшении размеров до нм, создание упорядоченных структур и одиночных структур традиционными методами становится труднореализуемой задачей. Особенно важны с этой точки зрения различные формообразующие структуры (полости), в которых можно создавать наноэлементы. Важную роль играют также технологии получения упорядоченных нанотрубок (особенно углеродных) и пористых мембран на основе оксида алюминия.
Технология получения рисунка на базе сканирующей зондовой микроскопии с разрешением в единицы нм за счет использования в качестве зондов углеродных нанотрубок и прецизионных позиционеров.
Наноэлементы для прямого преобразования электрической энергии в механическую с высокой эффективностью . Статические элементы на основе ориентированных пучков нанотрубок во много раз эффективнее пьезоэлектрических и могут работать, например, в физиологическом растворе. Динамические элементы на базе нанотрубок обеспечивают коммутацию в пикосекундном диапазоне. Однослойные нанотрубки с большим аспектным соотношением могут перемещаться в жидких средах за счет волнообразного движения. Все это открывает большие перспективы как для технических, так и для биомедицинских применений.
Заполнение нанополостей (в том числе нанотрубок) чужеродными атомами, молекулами, кластерами, фуллеренами позволяет не только изменять характеристики элементов, но и создавать одномерные кристаллы, хранить и доставлять определенные компоненты в нужное место для создания новых элементов с помощью зондовых технологий. Заполнение двумерных и трехмерных нанопористых сред позволяет создавать фотонные кристаллы основу для оптических коммутирующих устройств "беспороговых" лазеров, сверхчувствительных фотоприемников. Большой интерес для медицины представляет прививка к нанотрубкам органических комплексов и ДНК.
Сверхчувствительные сенсоры без промежуточного преобразования энергии . Они могут быть созданы, поскольку частотный диапазон механических колебаний наноэлементов близок к вращательному и колебательному спектрам молекул.
Эффекты автоэмиссии наряду с квантовомеханическими эффектами, связанными с переносом зарядов, играют все большую роль в таких нано-элементах. Так, пороги автоэмиссии для нанотрубок на несколько порядков ниже, чем в традиционных элементах. Это открывает возможности создания наноламп, скомбинированных с нанотранзисторами, что важно для устройств обработки информации, эксплуатирующихся в экстремальных условиях и условиях спецвоздействий.

2 Наноэлектромеханика и углеродные низкоразмерные системы

2.1 Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки — это протяжён-ные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десят-ков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины ), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в труб-ку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.
Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в ци-линдр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графеновой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.
Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.
Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр[5]. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:
,
где = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексамихиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:
.
Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2m, n) соответственно.
Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трём) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.
Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получе-ния фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры . Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым идентифицировал эти структуры как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм.
Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемператур-ном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группы. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. Существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучом лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200°С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени. Так группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, «значительно упростив» технологию их синтеза.
Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта (по 0.5 ат.%) позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом — методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качест-ве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из вариантов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD мето-дом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур.
Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное «выделение» избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава увлекает за собой рас-творенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С, представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку.
Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления, вследствие эффекта Гиббса-Томпсона. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600°С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550°С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа «бамбук» или «вложенные наноконусы». Полученные материалы состоят только из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.
Наноразмерные металлические катализаторы являются важными компонентами многих эффективных методов синтеза УНТ и в особенности для CVD-процессов. Они также позволяют в некоторой степени контролировать структуру и хиральность получаемых УНТ. Во время синтеза катализаторы могут конвертировать углеродсодержащие соединения в трубчатый углерод, при этом они сами как правило становятся частично закапсулированны графитизированными слоями углерода. Таким образом, они могут стать частью результируемого УНТ-продукта. Такие металлические примеси могут быть проблематичными для многих применений УНТ. Катализаторы как Никель, Кобальт илиИттрий могут вызвать к примеру, токсикологиче-ские проблемы. В то время как незакапсулированные катализаторы сравнительно легко вымываются минеральными кислотами, закапсулированные катализаторы требуют предварительной окислительной обработки для вскрытия покрывающей оболочки катализаторов. Эффективное удаление катализаторов, особенно закапсулированных, с сохранением структуры УНТ представляет собой сложную и трудоёмкую процедуру. Многие варианты очистки УНТ уже были изучены и индивидуально оптимизированы с учётом качества используемых УНТ. Новый подход к очистке УНТ, дающий возможность одновременно вскрывать и выпаривать закапсулированные металические катализаторы является чрезвычайно быстрый нагрев УНТ и его примесей в термической плазме.

2.2 Углеродные нановолокна

Углеродные нановолокна — углеродные цилиндрические наноструктуры, представляющие собой сложенные стопкой слои графена в виде конусов, «чашек» или пластин.
Углерод может существовать в форме трубчатых микроструктур называемых нитями или волокнами. В последние десятилетия уникальные свойства углеродных волокон расширили научную базу и технологию композитных материалов.
Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой класс таких материалов, в которых изогнутые графеновые слои или наноконусы сложены в форме квази -одномерной нити, чья внутренняя структура может быть охарактеризована углом α между слоями графена и осью волокна[1]. Одно из распространенных различий отмечается между двумя основными типами волокон: «Елочка», с плотно уложенными коническими графеновыми слоями и большими α, и «Бамбук», с цилиндрическими чашеподобными графеновыми слоями и малыми α, которые больше похожи на многослойные углеродные нанотрубки. Однако, в случае настоящих УНТ α равна нулю.
УНВ привлекли большое внимание ученых своими потенциальными термическими, электрическими, экранирующими и механическими свойствами[2]. Благодаря их исключительным свойствам и низкой стоимости, они в настоящее время все чаще и чаще используются в различных материалах, например таких как композиты.
Каталитическое химическое газофазное осаждение (CCVD) или просто химическое газофазное осаждение (CVD) в различных вариантах, таких как тепловое осаждение и осаждение в плазме, являются основной коммерческой технологией для получения УНВ. При этом молекулы газовой фазы разлагаются при высоких температурах и углерод осаждается в присутствии катализаторов из переходных металлов на подложку, на которой происходит дальнейший рост волокна вокруг частиц катализатора. В общем случае, этот процесс включает в себя отдельные этапы, такие как разложение газа, осаждение углерода, рост волокна, утолщение волокна, графитизация и очистка. Диаметр нановолокон зависит от размера катализатора.
CVD-процесс для получения УНВ обычно делится на две категории[4]: процесс с фиксированным катализатором (серийный) и процесс с «плавающим» катализатором (непрерывный). В серийном производстве разработанном Тиббетсом, смесь углеводородов с водородом и гелием была пропущена над муллитом (кристаллическим алюмосиликатом) с мелкодисперсным железным катализатором выдержанным при 1000 °C. В качестве углеводорода использовали метан в концентрации 15 % по объёму. Волокно длинной в несколько сантиметров было получено всего за 10 минут в присутствии газа в течение 20 секунд. В общем, длину волокна можно контролировать управляя временем присутствия газа в реакторе. Сила тяжести и направление потока газа обычно влияет на направление роста волокна. Непрерывный или плавающий процесс катализа был запатентован ранее Кояма и Эндо и позже был изменен Хатано с соавторами. Этот процесс обычно дает УНВ субмикронного диаметра и длины от нескольких до 100мкм, что согласуется с определением углеродных нановолокон. Они использовали металлоорганические соединения, растворенные в летучем растворителе, таком как бензин, что при подъеме температуры до 1100 °C приводит к получению смеси ультрадисперсных частиц катализатора (5-25нм в диаметре) в углеводородном газе. В печи, рост волокон инициируется на поверхности частиц катализатора и продолжается до отравления катализатора примесями. Механизм роста волокна описывается Бейкером и его коллегамми[9], только на части частиц ка-тализатора контактирующей с газовой смесью происходит рост волокон и рост прекращается, как только открытая часть катализатора покрывается примесями, то есть катализатор становится отравленным. Частицы катализатора покрываются волокнами с конечной концентрацей около несколько миллионных долей. На данном этапе, происходит утолщение волокон.
Наиболее часто в качестве катализатора используется железо, часто обогащенное серой, сероводородом и т. д., для того чтобы снизить температуру плавления, и способствовать проникновению углерода в поры катализатора и, следовательно, создать больше точек роста[10]. Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo и Pd также используются в качестве катализаторов[11][12]. Ацетилен, этилен, метан, природный газ, и бензол наиболее часто используются в качестве источников углерода для получения УНВ. Часто монооксид углерода (СО) вводится в поток газа для увеличения выхода углерода за счет сокращения количества оксидов железа в системе.










2.3 Фуллерены
Фуллере́н, — молекулярное соединение, принадлежащее клас-су аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства (где и соответст-венно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена помимо атомов углерода входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными[1].
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å[6]. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отли-чающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях[7]. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.
На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени[8], химический синтез[9] и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)[10]. Впоследствии фир-ме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.
Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неяс-ным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12С. После экстракции фуллеренов было показано методом ЯМР, что атомы 12С и 13С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.
Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С60 за последние 17 лет — с 10 тыс. до 10-15 долл. за грамм[11], что подвело к рубежу их реального промышленного использования.
К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана — Крет-чмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Из-за относительно высокой стоимости начального продукта — графита, этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которой удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5 долл./грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.
Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С60 и С70 и кристаллы С60/С70, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фул-лерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250 °C в условиях динамического вакуума (около 0,1 торр).







3 Системы NEMS
Наноэлектромеханические системы ( НЭМС ) представляют собой класс устройств, объединяющих электрическую и механическую функцио-нальность на наноуровне. НЭМС образуют следующий логический шаг миниатюризации от так называемыхмикроэлектромеханических систем , или MEMS устройств. НЭМС обычно интегрировать транзисторные, как наноэлектроники с механическими приводами, насосы, или двигателей, и может, таким образом, образуют физические, биологические и химические сенсоры.
Как отметил Ричард Фейнман в своей знаменитой беседе в 1959 году, " Там есть много свободного места на дне ", есть много потенциальных применений машин при меньших и меньших размеров; за счет строительства и управления устройствами в меньших масштабах, всех технологических преимуществ. Среди ожидаемые выгоды включают большей эффективности и уменьшенный размер, снижение энергопотребления и более низкие издержки производства в электромеханических систем.
В 2000 году, первый очень-масштабная интеграция (СБИС) НЭМС устройство было продемонстрировано исследователями из IBM. Его предпосылкой было множество АСМ советы, которые могут тепла / смысле деформируемый субстрат для того, чтобы функционировать в качестве устройства памяти . В 2007 году Международная техническая Дорожная карта для полупроводников (СПУ) содержит НСМОС памяти как новую запись для раздела Новые исследования устройств.
Многие из наиболее часто используемых материалов для технологии НЭМС были на основе, в частности и . Это главным образом из-за полезных свойств материалов на основе углерода, который непосредственно отвечают потребностям НЭМС. Механические свойства углерода (например, большой ) имеют основополагающее значение для стабильности НЭМС в то время как металлические и полупроводниковые проводимости углеродных материалов на основе позволяет им функционировать как транзисторов .
Оба графен и алмазов обладают высоким модулем Юнга, низкую плотность, низкое трение, чрезмерно низкую механическую рассеивание, и большую площадь поверхности. с низким коэффициентом трения УНТ, позволяют практически Подшипники качения и, таким образом, был огромный мотивация к практическому применению УНТ как составных элементов в НЭМС, таких как наномоторы , переключателей и высокочастотных генераторов. Углеродные нанотрубки и физическая сила графена позволяет материалы на основе углерода для удовлетворения более высокие требования стресса, когда общие материалы, как правило, из строя и Таким образом, в дальнейшем поддерживать их использование в качестве основных материалов в НЭМС технологического развития.
Наряду с механическими преимуществами материалов на основе углерода, электрические свойства углеродных нанотрубок и графена позволяют использовать его во многих электрических компонентов НЭМС. Нанотранзисторы были разработаны как для углеродных нанотрубок , а также графена. Транзисторы являются одним из основных строительных блоков для всех электронных устройств, так за счет эффективного развития используемые транзисторы, углеродные нанотрубки и графен оба очень важно НЭМС.

Предположим, что есть наноконструктор, состоящий из нескольких тысяч атомов разного вида. Что с его помощью можно собрать? На автомобиль или домик в деревне такого количества атомов, увы, не хватит. Зато можно с упоением собирать всевозможные молекулы различной формы: кольцеобразные (например, бензол), вытянутые (алканы) сферические («фуллерены»)... Скучно. Особенно, если хочется автомобиль. Впрочем, автомобили собирают из всевозможных литых дисков, шестеренок, цилиндров, поршней, и прочих деталей, которых в нашем конструкторе, к сожалению, нет. Но если задуматься, почему бы нам не использовать вместо всех перечисленных деталей молекулы соответствующей формы и не собрать из них «наноавтомобиль»? Уже гораздо интереснее, не правда ли? Особенно если не задаваться вопросами относительно того, не развалится ли такой автомобиль, сможет ли он ездить и кого будет возить?
Проще сказать, чем сделать. Несмотря на все достижения нанотехнологии, любые работы на молекулярном уровне остаются чрезвычайно сложной задачей. Впрочем, современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами хорошо всем известных электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают «наносилы» под действием электрического поля или света, или, наоборот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик.
В настоящее время одной из общих тенденций развития современной техники является миниатюризация функциональных устройств. В наиболее явном виде эта тенденция проявилась в процессе эволюции электронных компонентов. Если первые транзисторы было настолько велики, что их можно было взять пальцами, то теперь уже никого не удивляет, что процессор современного компьютера состоит из миллионов транзисторов. Вслед за электронными компонентами миниатюризация затронула и электромеханические устройства. Несмотря на то, что поведение однотипных механических устройств в макро- и микромире различно, усилия ученых и инженеров привели к созданию «микроэлектромеханических систем», которые уже широко применяются даже в быту. Сделать следующий шаг - осуществить перенос электромоторов в наномир - оказалось еще сложнее. При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию трения над силами инерции. Так, время затраченное на гашение инерции после придания вращательного движения (с одинаковым моментом вращения) мячу, лежащему на поверхности стола, и молекуле фуллерена на поверхности монокристалла кремния, будет различаться на несколько порядков.
На сегодня можно выделить две основных тенденции в создании НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, и поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Впрочем, как уже отмечалось, для конструирования НЭМС вполне можно использовать отдельные молекулы (Рис.1). В частности, описана возможность передачи вращения с одной нанотрубки на другую (по аналогии с шестеренками – см. Рис.2), а также создание механического осциллятора из концентрических нанотрубок. Другим ярким примером НЭМС являются «наномашины», способные ездить под действием внешнего электрического поля или света.
Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне. Как известно, механические системы колеблются с собственной частотой ω0 ~ (kэфф/mэфф)1/2, где kэфф – эффективная жесткость, а mэфф – эффективная масса системы. Если мы уменьшаем l – линейный размер устройства, сохраняя его форму, то ω0 будет увеличиваться, поскольку kэфф~ l, тогда как mэфф ~ l3. При этом, высокие значения величины ω0 соответствуют высоким скоростям отклика системы на внешние силы, что позволяет создавать на основе НЭМС чрезвычайно чувствительные измерительные устройства. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц (1010 Гц), что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотреб-ление.
К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или «наноэлектромеханической системе» может осуществляться также электрически, термически или химически.
Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Простейшие типы таких актюаторов включают «пьезодвигатели» и электростатические актюаторы на основе плоскопараллельных конденсаторов, однако возможны и более интересные решения. Исследователи из Беркли (США), например, создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор (Рис.3). Вращающаяся часть, называемая ротором – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, ученые заставляют наномотор вращаться.
В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно эффект тепло-вого расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл-диэтектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии оказывается весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%.
Если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – «вирусы», бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным природным молекулярным моторам (см. «биомиметика»).
Химическое управление такими наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда (как например, в моторе«наномашины») используют свет, который, воздейтствуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделаный из молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать 3 микрометров! Диаметр этого стержня – всего 2 нанометра. Вместо«нанобатарейки» такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный источник энергии, которым пользуются живые клетки. Таким образом, чтобы включить мотор, нужно впрыснуть порцию молекул АТФ. На конце молекулы ДНК прикреплена небольшая магнитная частица, которая позволяет следить за движением мотора с помощью измерения магнитного поля.
Другой молекулярный мотор - на основе ATФ синтетазы - предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+)через мембрану клетки для поддержания необходимой кислотности цитоплазмы. За объяснения механизмов его функционирования Е. Скоу, П. Бойер и Дж. Уолкер (J. C. Skou, P. Boyer и J. Walker) получили Нобелевскую премию в 1997 году. Интересно, что при синтезе или гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение по- или против часовой стрелки, впуская протоны внутрь клетки или выпуская их наружу (Рис.3). По эффективности работы и развиваемой силе АТФ синтетаза существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Типичная сила, продуцируемая такой молекулярной турбиной составляет около 1 пкН, а мощность – порядка 1 аВт (1•10-18).


3.1 Метод согласования
Идея метода состоит в рассмотрении каждого включения как находящегося в среде с упругими свойствами, соответствующими эквивалентному континууму, образованному матрицей и всеми остальными включениями, а не только матрицей как таковой, как это делается в рамках подхода малых концентраций с помощью решения Эшелби. Для случая упругости данный метод впервые был предло-32 жен вероятно Херши, а затем Хиллом и Будянским. В данных моделях уравнения теории упругости решаются для сферических включений в матрице с неизвестными упругими свойствами. Затем вычисляются эффективные модули. В работах Будянского и О’Коннелла,
рассматривался случай трещин. В изотропном случае данный метод приводит к системе двух алгебраических уравнений относительно двух эффективных упругих констант. В анизотропном случае метод приводит к системе уравнений, число которых равно числу констант для эквивалентного упругого континуума. Процедура вывода этих уравнений для общего случая описана в книге Муры. Показано, что в частном случае метод эффективного поля включает метод осреднения, так что эффективная среда совпадает с эффективным полем.
Для малых концентраций метод дает результаты, асимптотически совпадающие с результатами, полученными согласно методу малых концентраций. Однако, данный метод приводит к значительной переоценке влияний включений. Так в случае дискообразных трещин данный подход приводит к отрицательным значениям модулей упругости для конечных, но все еще разумных концентраций, что нефизично и лежит вне рамок Хашина-Штрикмана, дающих нулевое значение для нижней оценки. Если включения представляют собой пустоты, данный метод предсказывает падение модуля до нуля при концентрациях равных 0,5, хотя многие материалы сохраняют
несущую способность при такой пористости. Для решения данной проблемы Кристенсен предложил измененный вариант метода самосогласования, суть которого заключается в рассмотрении концентрических сфер (внутренняя сфера состоит из материала включения, а внешняя – из материала матрицы) в матрице, образованной материалом с эффективными свойствами.
Указанные недостатки могут быть устранены при применении дифференциального метода самосогласования.
3.2 Метод Мори-Танака

Идея метода состоит в рассмотрении каждого включения как находящегося в поле напряжений, соответствующего среднему полю напряжений в матрице и, вообще говоря, отличному от среднего поля напряжений в композите. Модель была предложена в работе Мори и Танака (1973), в которой рассматривались композиты с эллиптическими включениями. Наиболее наглядно идея метода может быть сформулирована для случая пустот (включений с нулевыми упругими модулями. В этом случае среднее поле напряжений в матрице отличается от усредненного поля напряжений в образце на величину отно-
сительной пористости (отношения объема пор к объему образца). Эффект взаимодействия включений (пустот) при этом сводиться исключительно к уменьшению эффективного сечения (за счет пустот) образца. Для случая трещин (пустот с нулевой толщиной) метод сводится, очевидно, к методу невзаимодействующих включений. Метод Мори-Танака может рассматриваться, очевидно, как частный случай метода эффективного поля, в рамках которого эффективные поля напряжений для каждой из рассматриваемых частиц не обязательно должны быть одинаковыми и однородными. Модель использовалась Вакашимой и др. для моделирования свойств композитов с эллиптическими включениями. Для предсказания упругих свойств композитов метод использовался Таей и Мурой, Таей и Чоу. Затем данный метод был обобщен в работах Венга (1984). Тандон и Венг (1984) на основе данного подхода осуществили вычисление полного набора упругих констант волокнистого композита. Эквивалентная формулировка метода Мори-Танака была дана Бенвенисте (1987). «Модель эквивалентных поливключений», предложенная Феррари (1994), аналогична методу Мори-Танака.



















Заключение
Основные препятствия, мешающие в настоящее время коммерческое применение многих устройств НЭМС относятся низкий-выходы и изменчивость качества высокого устройство. Перед устройства НЭМС на самом деле может быть реализован, разумные интеграции углеродных продуктов на основе должны быть созданы. Одним из последних шагов в этом направлении было продемонстрировано для алмаза, достижение такого уровня обработки сравнима с кремнием. В центре внимания в настоящее время переход от экспериментальной работы к практического применения и приборных структур, которые будут осуществлять и получать прибыль от таких новых уст-ройств. [ 8 ]Следующая задача преодолеть предполагает понимание всех свойств этих инструментов на основе углерода, и используя свойства, чтобы сделать эффективные и долговечные НЭМС с низкими отказов. [
Устройства НЭМС, в случае их реализации в повседневной технологий, может еще больше уменьшить размер современных устройств и позволит улучшить датчиков исполнительского. Материалы на основе углерода служили простые материалы для НЭМС использования, из-за их исключительных механических и электрических свойств. После того, как НЭМС взаимодействия с внешними средами интегрированы с эффективными конструкций, они, вероятно, станет полезные продукты для повседневной технологий.
 
Список использованных источников:

1. Системы MEMS NEMS. Despont, M; Бруггер, J.; Дрекслер, У.; Durig, У.;Häberle, В.; Lutwyche, М.; Rothuizen, H.; Stutz, Р.;Видмер, Р. 2008. 156 с.
2. Физические основы наноэлектроники. Учебное пособие для сту-дентов факультета нано- и биомедицинских технологий. — Саратов, 2013. — 128 с.
3. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина – М.: Техносфера, 2005. – 448 с.
4. Ч. Пул-мл., Ф ОуэнсНанотехнологии. – М.: Техносфера, 2006. -336 с.