Упорядоченные углеродные наноструктуры и области их практического применения

Пленки ДУ ЛЦУ обла­дают очень сильной анизотропией электрофизи­ческих свойств, являясь при толщинах, удовле­творяющих критерию < 100 нм сверхпроводника­ми в нормальном к плоскости пленки направле­нии. При этом вдоль цепочки электроны движутся без потерь энергии, как в вакууме.

Поэтому воз­никает идея вернуться при переходе в процессе дальнейшей миниатюризации элементной базы наноэлектроники к принципам вакуумной элек­троники, но на твердотельных структурах, где роль вакуума будет играть пленка ЛЦУ. При этом помимо ожидаемого уменьшения планарных раз­меров элементов наноэлектроники до значений < 10 нм является вертикальная компоновка пле­ночных структур типа МОП (МДП), более удоб­ной и эффективной может оказаться планарно-вертикальная компоновка элементов микросхем, когда последовательное их соединение осуществ­ляется путем напыления «слоеного пирога» из пленочных структур в едином технологическом цикле. При этом возможно уменьшение потерь энергии в контактах и соединительных проводни­ках, а также увеличение быстродействия.

Можно использовать пленки ДУ ЛЦУ и в обычных диссипативных системах пленочной на­ноэлектроники, заменяя ими кремниевые элемен­ты. При этом используют легированные пленки

Рис. 8.2 Области практического применения линейно-цепочечного углерода.

ДУ ЛЦУ, которые приобретают свойства р- и п-по­лупроводников. При этом полностью сохраняется вся технологическая цепочка традиционной мик­роэлектроники, однако производство углеродных материалов должно быть существенно дешевле.

Использование линейно-цепочечного углерода в виде нано-кристаллов (порошков) или волокон карбина за счет наличия в зигзагообразных цепо­чек углеродных атомов, образованных sp'-связью, встроенного электрического поля (квантово-размерный эффект) работа выхода электронов из этих элементов в поперечном к цепочке направ­лении снижается и составляет всего 0,4 эВ.

Это позволяет использовать указанные нанопорошки или нановолокна карбина в качестве эффектив­ных холодных катодов для многочисленных прак­тических применений. При этом возможен и практически реализуется механизм термоэлек­тронной эмиссии при комнатной температуре, при этом с эмиттера снимается ток согласно известному закону Шоттки.

Ниже отмечены те из них, которые уже про­шли первую апробацию и где имеются положи­тельные результаты проверки справедливости за­ложенных в их основу физических идей.

Во-первых, это практически доведенная до стадии НИОКР технология создания люминес­центных ламп с использованием возбуждения люминофора не с помощью его накачки линией ртути, как это делается в современных лампах, а с помощью электронного пучка, эмитируемого холодным катодом, т.е. возможность замены фо­толюминесценции на катодолюминесценцию. Такие источники будут экономически чистыми, поскольку в них не будет ртути, а спектральный состав излучения подбором люминофора будет ближе к естественному, они будут энергосбере­гающими, поскольку в них не будет тепловых потерь, и более дешевыми по технологии изго­товления и в эксплуатации. На лабораторных стендах достигнуты следующие показатели соз­данных источников: коэффициент преобразова­ния на порядок выше, чем у ламп накаливания, по прогнозам - ресурс 100 тыс. ч, излучающая поверхность - плоская или цилиндрическая размерами, верхний предел которых ограничивается только возможностями современного электрова­куумного оборудования.

Электронно-оптические системы.Туннельная прозрачность пленок ДУ ЛЦУ опре­деляет ее важное свойство - способность коллимировать проходящий через нее электронный пу­чок, а взаимодействие с плазмонами - способ­ность в определенной степени усиливать его. Результаты испыта­ний показали эффективность работы встроенных в ЭОП пленок ДУ ЛЦУ, которые выполняли сле­дующие функции: первая, расположенная сразу за ИК-фотокатодом защищала его от потока ио­нов и коллимировала пучок фотоэлектронов, вторая, размещенная на ПЗС-матрице, коллими­ровала и усиливала пучок электронов и препят­ствовала его расплыванию в силу своих высоких диэлектрических свойств в направлении плоско­сти матрицы. Это повысило чувствительность ЭОП и четкость изображения.

Применение ЛЦУ в медицине. Разработаны физико-хи­мические основы технологии ионно-плазменного нанесения покрытий линейно-цепочечного угле­рода (ЛЦУ) на различные материалы, импланти­руемые в живой организм, включая шовный ма­териал на основе нитей из ЛЦУ (так называемых карбиновых нитей) и созданы опытно-промы­шленные установки для их изготовления нового поколения медицинских имплантов на основе использования ЛЦУ.

В отличие от углерода в зр²-гибридизации цепочечный углерод ближе по своей природе к живым тканям как по своей первичной структуре (цепочечный углерод), так и по своей вторичной структуре (способность образовывать плотноупа­кованную структуру, напоминающую структуру клеточных оболочек и мембран).

В настоящее время реализуются две техно­логии создания ЛЦУ-материалов и ЛЦУ-покрытий. Первая - это технология синтеза мате­риала, содержащего фрагменты ЛЦУ, который в обиходе называется карбином, состоящего из фрагментов линейно-цепочечного углерода, свя­занных между собой случайными поперечными сшивками. Основным способом получения таких карбиновых волокон является дегидрогалогенирование поливинилгалогенидовых волокон, в ос­новном поливинилиденфторида (ПВДФ). При этом возможно получение карбиновых нитей (так называемого «карбилана»), ваты, войлока. Второй способ - это осаждение строго упорядо­ченных по структуре пленок - так называемых двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода - ДУЛЦУ.

Исследования, проведенные в последние го­ды в ведущих медицинских центрах России по­казали, что карбиновые нити и покрытия из ДУДЦУ обладают полным набором необходи­мых требований, предъявляемых к имплантам: прочностью, непрерывностью, высокой адгезивностью, малой толщиной, технической доступ­ностью и дешевизной.

Биомедицинские исследования с имплантами с покрытиями линейно-цепочечного углерода по­казали отсутствие денатурации белков на его по­верхности и исключительно низкий потенциал свертывания крови. Нанесение покрытий из ДУ ЛЦУ на поверхность придает ей исключительную тромборезистентность (превосходит полистерин, являвшийся до настоящего времени лучшим по этим показателям) и позволяет улучшить биосо­вместимость медицинских имплантатов и уст­ройств, уменьшает риск образования тромбов, от­торжения имплантата, развития воспаления.

К настоящему времени практически нет та­ких отделов разделов медицины, где не были бы испытаны имплантанты или контактные с живой тканью материалы с использованием линейно-цепочечного углерода.

Как следует из предыдущего раздела, модифика­ции углерода, содержащие в той или иной степе­ни линейно-цепочечный углерод, представляют собой достаточно рыхлые структуры, в которые легко вставляются молекулы белка. Точно также порошки, волокна карбина и пленки ДУ ЛЦУ яв­ляются прекрасными адсорбентами, которые мо­гут использоваться в качестве накопителей водо­рода, лития (в литиевых батареях, в качестве фильтров).

Особенности реализации нелинейных процессов в системах с хаотической динамикой

Физические особенности перехода от микро- к наноустройствам

Физические основы Оже-спектроскопи и нейтронографии

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении