Файл: Реферат Фуллерены, астралены и перспективы их применения в микро и наноэлектронике Выполнила студентка группы 2106.rtf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.02.2024
Просмотров: 21
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, то соединения С60О и С70О присутствуют всегда в исходных смесях фуллеренов в экстракте в небольших количествах. Вероятно, кислород присутствует в камере при электродуговом разряде и часть фуллеренов окисляется. Оксиды фуллерена хорошо разделяются на колонках с различными адсорбентами, что позволяет контролировать чистоту образцов фуллеренов, и отсутствие или присутствие оксидов в них. Однако низкая стабильность оксидов фуллеренов препятствуют их систематическому изучению.
Что можно отметить относительно органической химии фуллеренов, так это то, что, будучи электронодефицитным полиеном, фуллерен С60 проявляет склонность к реакциям радикального, нуклеофильного и циклоприсоединения. Особенно перспективными в плане функционализации фуллереновой сферы являются разнообразные реакции циклоприсоединения. В силу своей электронной природы С60 способен принимать участие в реакциях [2+n]-циклоприсоединения, причем наиболее характерными являются случаи, когда n=1, 2, 3 и 4.
Основной проблемой, решаемой химиками-синтетиками, работающими в области синтеза производных фуллеренов, и по сей день остается селективность проводимых реакций. Особенности стереохимии присоединения к фуллеренам состоят в огромном числе теоретически возможных изомеров. Так, например, у соединения C60X2 их 23, у С60X4 уже 4368, среди них 8 – продукты присоединения по двум двойным связям. 29 изомеров С60X4 не будут, однако, иметь химического смысла, обладая триплетным основным состоянием, возникающим в связи с наличием sp2-гибридизованного атома углерода в окружении трех sp3-гибридизованных атомов, образующих С-Х связи. Максимальное число теоретически возможных изомеров без учета мультиплетности основного состояния будет наблюдаться в случае С60X30 и составит 985538239868524 (1294362 из них – продукты присоединения по 15 двойным связям), тогда как число несинглетных изомеров той же природы, что и в приведенном выше примере, не поддается простому учету, но из общих соображений должно постоянно увеличивать с ростом числа присоединенных групп. В любом случае, число теоретически допустимых изомеров в большинстве случаев огромно, при переходе же к менее симметричным С70 и высшим фуллеренам оно дополнительно возрастает в разы или на порядки.
На самом же деле, многочисленные данные квантово-химических расчетов показывают, что большинство реакций галогенирования и гидрирования фуллеренов протекают с образованием если и не наиболее стабильных изомеров
, то, по крайней мере, незначительно отличающихся от них по энергии. Наибольшие расхождения наблюдаются в случае низших гидридов фуллеренов, изомерный состав которых, как было показано выше, может даже слегка зависеть от пути синтеза. Но при этом стабильность образующихся изомеров все равно оказывается крайне близкой. Изучение этих закономерностей образования производных фуллеренов представляет собой интереснейшую задачу, решение которой приводит к новым достижениям в области химии фуллеренов и их производных.
2. Астралены
Основная проблема при использовании наноразмерных частиц в массовом производстве наноструктурированных материалов заключается в их высокой стоимости. Известно, в частности, что высокоэффективным упрочнителями цементных материалов являются фуллерены, однако их высокая стоимость не позволяет применять фуллерены в широкой практике производства строительных материалов. Замена фуллеренов на более дешевые фуллероиды позволила обеспечить экономическую целесообразность производства нанобетона, для чего была разработана технология синтеза и организовано промышленное производство фуллероидов, названных авторами "астраленами". Введение астраленов в бетонные смеси в самом незначительном количестве (менее чем 10-3%) приводит к росту в составе цементного камня протяженных структур длиной в сотни мкм.
Наличие таких образований является ничем иным, как микродисперсным самоармированием цементного камня, что приводит к соответствующему упрочнению бетонов на основе таких нанодобавок.
Фуллероидами называют углеродные наночастицы, в строении которых наряду со сферическими образованиями из атомов углерода присутствуют также их деформированные фрагменты.
Астралены представляют собой гигантские молекулы в форме тора, составленные из сочетания углеродных гексагонов и пентагонов. Размеры астраленов находятся в интервале от 30 до 150 нм. По внешнему виду астралены выглядят как порошок темно-серого цвета.
Структура астралена
Астралены получают как побочный продукт производства фуллеренов путем термического распыления графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа. Продукты распыления осаждаются на охлаждаемых стенках камеры, и, в основном, на поверхности катода. Полученный катодный осадок имеет центральную рыхлую часть, из которой извлекаются фуллерены, и
более плотную корку, в которой содержатся разнообразные наноструктуры, ранее считавшиеся бесполезными примесями.
Для получения астралена корку катодного осадка измельчают и выделяют целевой продукт путем последовательного газофазного окисления в воздушной среде и в растворах солей щелочных металлов. Астрален имеет меньшую стоимость по сравнению с фуллеренами, поскольку для его получения используют ту часть катодного осадка, которая ранее шла в отходы при производстве фуллеренов из центральной части катодного осадка.
3. Техническое применение наноразмерных частиц в электронике
Уникальная избирательность наноразмерных надмолекулярных образований органических полимеров к внешним воздействиям позволяет использовать нанополимеры в качестве сенсоров различного назначения. Из них изготавливают датчики давления, ускорения, температуры, влажности, изменения геометрических размеров тел, скоростей, химических реакций и физических процессов. В частности, на их основе созданы лазеры инфракрасного диапазона электромагнитных излучений, которые позволяют контролировать техногенное загрязнение воздушной атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.
Углеродные нанотрубки рассматриваются как катоды для изготовления плазменных панелей. Порог автоэмиссии углеродных нанотрубок на несколько порядков ниже, чем традиционных материалов. Это позволяет использовать наноструктурированные материалы на основе углеродных нанотрубок для изготовления плоских дисплеев и других устройств визуального изображения электронной информации. В перспективе на их основе возможно создание эффективных катодов для плазменных панелей практически неограниченной площади.
Эндопроизводные фуллеренов, содержащие щелочные и редкоземельные элементы (калий, рубидий, цезий и др.), обладают сверхпроводящими свойствами. Металлофуллерены при простом составе являются самыми высокотемпературными сверхпроводниками. В отличие от традиционно используемых сверхпроводящих оксидов сложного состава сверхпроводящие свойства металлофуллеренов не имеют выраженной анизотропии, они практически одинаковы во всех кристаллографических направлениях.
Теоретически показано, что эндопроизводные фуллеренов, модифицированные возбужденными атомами водорода, могут стать абсолютными поглотителями электромагнитного излучения. Любой предмет, покрашенный краской с водородными эндопроизводными фуллеренов, станет невидимым для радаров.
Двумерные многослойные структуры из пленок нанометровой толщины обеспечивают максимальное отражение электромагнитных волн, т.е. могут служить эффективными рентгеновскими зеркалами. Они уже используются в технике. В частности, такие зеркала применяют в конструкции объективов космических телескопов.
Использование многослойных зеркал из наноматериалов в технологии микроэлектроники позволит уменьшить рабочую длину волны более, чем на порядок. Это означает переход технологии изготовления интегральных схем на атомарную точность, что приведет к наноминиатюризации электронных приборов и соответственно к значительному снижению массы и уменьшению габаритов электронных приборов при существенном повышении технических возможностей электронной аппаратуры в целом.
Список литературы
фуллерен астрален наноразмерный электроника
Что можно отметить относительно органической химии фуллеренов, так это то, что, будучи электронодефицитным полиеном, фуллерен С60 проявляет склонность к реакциям радикального, нуклеофильного и циклоприсоединения. Особенно перспективными в плане функционализации фуллереновой сферы являются разнообразные реакции циклоприсоединения. В силу своей электронной природы С60 способен принимать участие в реакциях [2+n]-циклоприсоединения, причем наиболее характерными являются случаи, когда n=1, 2, 3 и 4.
Основной проблемой, решаемой химиками-синтетиками, работающими в области синтеза производных фуллеренов, и по сей день остается селективность проводимых реакций. Особенности стереохимии присоединения к фуллеренам состоят в огромном числе теоретически возможных изомеров. Так, например, у соединения C60X2 их 23, у С60X4 уже 4368, среди них 8 – продукты присоединения по двум двойным связям. 29 изомеров С60X4 не будут, однако, иметь химического смысла, обладая триплетным основным состоянием, возникающим в связи с наличием sp2-гибридизованного атома углерода в окружении трех sp3-гибридизованных атомов, образующих С-Х связи. Максимальное число теоретически возможных изомеров без учета мультиплетности основного состояния будет наблюдаться в случае С60X30 и составит 985538239868524 (1294362 из них – продукты присоединения по 15 двойным связям), тогда как число несинглетных изомеров той же природы, что и в приведенном выше примере, не поддается простому учету, но из общих соображений должно постоянно увеличивать с ростом числа присоединенных групп. В любом случае, число теоретически допустимых изомеров в большинстве случаев огромно, при переходе же к менее симметричным С70 и высшим фуллеренам оно дополнительно возрастает в разы или на порядки.
На самом же деле, многочисленные данные квантово-химических расчетов показывают, что большинство реакций галогенирования и гидрирования фуллеренов протекают с образованием если и не наиболее стабильных изомеров
, то, по крайней мере, незначительно отличающихся от них по энергии. Наибольшие расхождения наблюдаются в случае низших гидридов фуллеренов, изомерный состав которых, как было показано выше, может даже слегка зависеть от пути синтеза. Но при этом стабильность образующихся изомеров все равно оказывается крайне близкой. Изучение этих закономерностей образования производных фуллеренов представляет собой интереснейшую задачу, решение которой приводит к новым достижениям в области химии фуллеренов и их производных.
2. Астралены
Основная проблема при использовании наноразмерных частиц в массовом производстве наноструктурированных материалов заключается в их высокой стоимости. Известно, в частности, что высокоэффективным упрочнителями цементных материалов являются фуллерены, однако их высокая стоимость не позволяет применять фуллерены в широкой практике производства строительных материалов. Замена фуллеренов на более дешевые фуллероиды позволила обеспечить экономическую целесообразность производства нанобетона, для чего была разработана технология синтеза и организовано промышленное производство фуллероидов, названных авторами "астраленами". Введение астраленов в бетонные смеси в самом незначительном количестве (менее чем 10-3%) приводит к росту в составе цементного камня протяженных структур длиной в сотни мкм.
Наличие таких образований является ничем иным, как микродисперсным самоармированием цементного камня, что приводит к соответствующему упрочнению бетонов на основе таких нанодобавок.
Фуллероидами называют углеродные наночастицы, в строении которых наряду со сферическими образованиями из атомов углерода присутствуют также их деформированные фрагменты.
Астралены представляют собой гигантские молекулы в форме тора, составленные из сочетания углеродных гексагонов и пентагонов. Размеры астраленов находятся в интервале от 30 до 150 нм. По внешнему виду астралены выглядят как порошок темно-серого цвета.
Структура астралена
Астралены получают как побочный продукт производства фуллеренов путем термического распыления графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа. Продукты распыления осаждаются на охлаждаемых стенках камеры, и, в основном, на поверхности катода. Полученный катодный осадок имеет центральную рыхлую часть, из которой извлекаются фуллерены, и
более плотную корку, в которой содержатся разнообразные наноструктуры, ранее считавшиеся бесполезными примесями.
Для получения астралена корку катодного осадка измельчают и выделяют целевой продукт путем последовательного газофазного окисления в воздушной среде и в растворах солей щелочных металлов. Астрален имеет меньшую стоимость по сравнению с фуллеренами, поскольку для его получения используют ту часть катодного осадка, которая ранее шла в отходы при производстве фуллеренов из центральной части катодного осадка.
3. Техническое применение наноразмерных частиц в электронике
3.1 Сенсоры
Уникальная избирательность наноразмерных надмолекулярных образований органических полимеров к внешним воздействиям позволяет использовать нанополимеры в качестве сенсоров различного назначения. Из них изготавливают датчики давления, ускорения, температуры, влажности, изменения геометрических размеров тел, скоростей, химических реакций и физических процессов. В частности, на их основе созданы лазеры инфракрасного диапазона электромагнитных излучений, которые позволяют контролировать техногенное загрязнение воздушной атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.
3.2 Эмиттеры
Углеродные нанотрубки рассматриваются как катоды для изготовления плазменных панелей. Порог автоэмиссии углеродных нанотрубок на несколько порядков ниже, чем традиционных материалов. Это позволяет использовать наноструктурированные материалы на основе углеродных нанотрубок для изготовления плоских дисплеев и других устройств визуального изображения электронной информации. В перспективе на их основе возможно создание эффективных катодов для плазменных панелей практически неограниченной площади.
3.3 Сверхпроводники
Эндопроизводные фуллеренов, содержащие щелочные и редкоземельные элементы (калий, рубидий, цезий и др.), обладают сверхпроводящими свойствами. Металлофуллерены при простом составе являются самыми высокотемпературными сверхпроводниками. В отличие от традиционно используемых сверхпроводящих оксидов сложного состава сверхпроводящие свойства металлофуллеренов не имеют выраженной анизотропии, они практически одинаковы во всех кристаллографических направлениях.
3.4 Поглотители
Теоретически показано, что эндопроизводные фуллеренов, модифицированные возбужденными атомами водорода, могут стать абсолютными поглотителями электромагнитного излучения. Любой предмет, покрашенный краской с водородными эндопроизводными фуллеренов, станет невидимым для радаров.
3.5 Рентгеновские зеркала
Двумерные многослойные структуры из пленок нанометровой толщины обеспечивают максимальное отражение электромагнитных волн, т.е. могут служить эффективными рентгеновскими зеркалами. Они уже используются в технике. В частности, такие зеркала применяют в конструкции объективов космических телескопов.
Использование многослойных зеркал из наноматериалов в технологии микроэлектроники позволит уменьшить рабочую длину волны более, чем на порядок. Это означает переход технологии изготовления интегральных схем на атомарную точность, что приведет к наноминиатюризации электронных приборов и соответственно к значительному снижению массы и уменьшению габаритов электронных приборов при существенном повышении технических возможностей электронной аппаратуры в целом.
Список литературы
фуллерен астрален наноразмерный электроника
-
Г.Н. Волков. Объемные наноматериалы: учебное пособие. 2011 -
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007 -
www.rusnanonet.ru -
www.nanometer.ru
