Вертикально ориентированные массивы углеродных нанотрубок

В материаловедении ориентированных массивы вертикально ориентированных углеродных нанотрубок ( ВАНТА ) представляют собой уникальную микроструктуру, состоящую из углеродных нанотрубок, своей продольной осью перпендикулярно поверхности подложки. Эти VANTA эффективно сохраняют и часто подчеркивают уникальные анизотропные свойства отдельных углеродных нанотрубок и обладают морфологией, которую можно точно контролировать. Таким образом, VANTA широко используются в ряде текущих и потенциальных приложений устройств.

Синтез

Существует несколько экспериментальных технологий, позволяющих выровнять одну или несколько УНТ по заранее определенной ориентации. Эти методы основаны на разных механизмах и поэтому применимы к различным ситуациям. Эти методы подразделяются на две группы в зависимости от того, когда достигается выравнивание: (а) методы in-situ, при которых выравнивание достигается в процессе роста УНТ, и (б) методы ex-situ, при которых УНТ первоначально выращиваются в случайной ориентации, а выравнивание достигается впоследствии, например, в процессе интеграции устройства.

Термическое химическое осаждение из паровой фазы

Механизм роста

Термическое химическое осаждение из паровой фазы — распространенный метод выращивания ориентированных массивов УНТ. В процессе CVD горячий углеродистый газ разлагается, *оставляя углерод диффундирует в частицы катализатора или вокруг них *, а затем образует зародыши боковой стенки графитовых нанотрубок на одной кристаллографической поверхности катализатора. Диаметр катализатора напрямую влияет на диаметр выращиваемых нанотрубок. Существует две основные модели роста сердечно-сосудистых заболеваний в VANTA: «модель кончикового роста» и «модель базового роста». В случае модели роста кончика углеводород разлагается на верхней поверхности металла, углерод диффундирует вниз через металл, а УНТ осаждаются через нижнюю часть металла, отталкивая всю металлическую частицу от подложки, и продолжают расти до тех пор, пока металл полностью покрывается избытком углерода и его каталитическая активность прекращается. В случае модели базового роста начальный распад углеводородов и диффузия углерода происходят аналогично тому, как это происходит в случае роста кончика, но осаждение УНТ выходит из вершины металлической частицы и образует полусферический купол, который затем распространяется вверх. в виде бесшовного графитового цилиндра. Последующее разложение углеводородов происходит на нижней периферийной поверхности металла, а растворенный углерод диффундирует вверх. В большинстве процессов термического CVD нанотрубки выращиваются методом корневого или базового роста. Морфология как отдельных УНТ, так и массива УНТ определяется различными параметрами роста CVD, которые можно настроить для получения вертикально выровненных массивов УНТ с различной структурой.

Катализатор

Катализатор обеспечивает пиролиз углерода и последующий рост VANTA. Катализаторами обычно являются металлы, которые обладают высокой растворимостью углерода при высоких температурах и демонстрируют высокую скорость диффузии углерода, например железо (Fe), кобальт (Co) и никель (Ni). Сообщается, что другие переходные металлы, такие как медь (Cu), золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt) и палладий (Pd), также катализируют рост УНТ из различных углеводородов, но имеют более низкую растворимость углерода и, следовательно, более низкие скорости роста. . Твердые металлорганоцены, такие как ферроцен , кобальтоцен, никельоцен, также являются распространенными катализаторами. Установлено, что температура и время стадий термической и восстановительной предварительной обработки катализатора являются решающими переменными для оптимизации распределения наночастиц с различным средним диаметром в зависимости от начальной толщины пленки. Для выращивания УНТ методом CVD наносится напыленная тонкая пленка катализатора (например, 1 нм Fe). Во время нагрева пленка размокает, создавая островки железа, из которых затем зарождаются нанотрубки. Поскольку железо подвижно, островки могут слиться, если оставить их слишком долго при температуре роста, прежде чем начнется рост нанотрубок. Отжиг при температуре роста снижает плотность центров #/мм2 и увеличивает диаметр нанотрубок. По мере роста нанотрубок из островков катализатора эффекты краудинга и силы Ван-дер-Ваальса между другими УНТ не оставляют им выбора для роста в любом направлении, кроме вертикального к подложке.

Высота вертикально ориентированных УНТ также зависит от расстояния между частицами катализатора. Отчеты показали, что для вертикально ориентированных массивов пучков УНТ УНТ растут длиннее, когда рядом с ними растут другие УНТ, на что указывают более длинные УНТ, выращенные на более крупных частицах катализатора или когда частицы катализатора расположены близко друг к другу. Чой и др. сообщили о хорошей морфологии и плотном распределении VANTA, выращенных из нанопорошков Ni и магнитных жидкостей, смешанных с поливиниловым спиртом, нанесенных методом центрифугирования на Si и оксид алюминия. Сюн и др. продемонстрировали, что монокристаллический оксид магния (MgO) является подходящим субстратом для выращивания VANTA длиной до 2,2 мм при катализе Fe-катализатором. Также было продемонстрировано, что нанесение монослоя Mo с Co-катализатором подавляет расширение распределения SWNT по диаметру в только что выращенном VANTA, в то время как состав и количество Co и Mo влияют на каталитическую активность.

Поддерживать

Материал подложки, морфология ее поверхности и текстурные свойства существенно влияют на конечный выход VANTA. Некоторыми примерами обычно используемых в CVD подложек являются кварц , кремний, карбид кремния, кремнезем, оксид алюминия, цеолит , CaCO ₃ и оксид магния. Большинство подложек перед нанесением катализатора покрывают подслоем, состоящим из оксида алюминия толщиной 10-20 нм. Это регулирует высыхание катализатора с образованием островков предсказуемого размера и представляет собой диффузионный барьер между подложкой и металлическим катализатором. Ли и др. создали VANTA, состоящую из Y-образных углеродных нанотрубок, путем пиролиза метана на катализаторе из оксида магния, покрытом кобальтом, на шаблонах из оксида алюминия с разветвленными наноканалами. Цюй и др. использовали углеродное волокно на основе пека в качестве основы для выращивания VANTA с использованием источника углерода FePc. Полученный массив распространяется радиально по поверхности углеродного волокна.

Чжун и др. продемонстрировали прямой рост VANTA на покрытиях из металлического титана (Ti) с катализатором Fe/Ti/Fe, напыленным на пластины SiO ₂ /Si. Альварес и др. сообщает о возможности нанесения методом центрифугирования раствора алюмоксана в качестве носителя катализатора для роста VANTA посредством CVD. После того как обычный катализатор Fe был выпарен на носитель, нанесенный центрифугированием, полученный выход роста VANTA был аналогичен обычным порошковым носителям Al ₂ O ₃ .

Источник углерода

Источником углерода для CVD VANTA чаще всего является углеродный газ, такой как метан , этилен , ацетилен , бензол , ксилол или окись углерода . Другие примеры предшественников углерода включают циклогексан, фуллерен, метанол и этанол. Пиролиз этих газов на атомы углерода варьируется в зависимости от скорости разложения при температуре роста, содержания углерода в молекулах газа и катализатора роста. Линейные углеводороды, такие как метан, этилен, ацетилен, термически разлагаются на атомарный углерод или линейные димеры/тримеры углерода и обычно образуют прямые и полые УНТ. С другой стороны, циклические углеводороды, такие как бензол, ксилол, циклогексан, фуллерен, образуют относительно изогнутые/сгорбленные УНТ со стенками трубок, часто соединенными внутри. Выровненные массивы МУНТ были синтезированы путем каталитического разложения смеси предшественников ферроцена и ксилола на кварцевые подложки при атмосферном давлении и относительно низкой температуре (~ 675 ° C).

Эрес и др. обнаружили, что добавление ферроцена в газовый поток путем термического испарения одновременно с ацетиленом увеличивает скорость роста углеродных нанотрубок и увеличивает толщину VANTA до 3,25 мм. Ферроцен вводился в газовый поток термическим испарением одновременно с потоком ацетилена. Цюй и др. сообщили о CVD-процессе низкого давления на пластине SiO ₂ /Si, который позволяет получить VANTA, состоящую из УНТ с фигурно переплетенными концами. Во время пиролитического роста VANTA первоначально сформированные сегменты нанотрубок в процессе роста основы росли в случайных направлениях и образовывали случайно запутанный верхний слой нанотрубок, из которого затем появлялись лежащие под ним прямые массивы нанотрубок. Чжун и др. изучил чисто термический CVD-процесс для лесов SWNT без травящего газа и продемонстрировал, что ацетилен является основным предшественником роста, а преобразование любого сырья в C ₂ H ₂ имеет ключевое значение для роста SWNT VANTA. Реактивный травитель , такой как вода, атомарный водород или гидроксильные радикалы, может расширить окно осаждения леса SWNT, но не требуется в реакторах с холодными стенками при низких давлениях.

Дасгупта и др. синтезировали отдельностоящую макротрубчатую ВАНТУ методом распылительного пиролиза раствора ферроцен-бензола в атмосфере азота, при этом оптимальным условием для формирования макротрубчатой ​​геометрии оказалась 950 °С, 50 мг/мл ферроцена в бензоле. , скорость откачки жидкого предшественника 1,5 мл/мин и скорость потока газообразного азота 5 л/мин.

Температура

При слишком низкой температуре атомы катализатора недостаточно подвижны, чтобы агрегироваться в частицы для зарождения и роста нанотрубок, а каталитическое разложение предшественника углерода может быть слишком медленным для образования нанотрубок. Если температура слишком высока, катализатор становится слишком подвижным, чтобы образовывать частицы, достаточно мелкие для зарождения и роста УНТ. Типичный диапазон температур роста VANTA, пригодных для CVD-роста, составляет 600-1200 °C. На индивидуальную структуру УНТ влияет температура роста; низкотемпературное CVD (600–900 ° C) дает МУНТ, тогда как высокотемпературная (900–1200 ° C) реакция благоприятствует ОСУНТ, поскольку они имеют более высокую энергию образования. Для каждой системы CVD существует критическая температура, при которой скорость роста стабилизируется на максимальном значении.

Температурная зависимость роста углеродных нанотрубок с ферроценом демонстрирует резкий спад при высоких температурах подложки и потерю вертикального ориентирования при 900 ° C. Чжан и др. провели рост VANTA на серии катализаторов Fe/Mo/вермикулит и сообщили, что с повышением температуры роста выравнивание УНТ, интеркалированных среди вермикулита, ухудшается.

Рост, поддерживаемый потоком

Ключом к высоким выходам роста является правильное введение окислителей в газовую среду, чтобы поверхности частиц катализатора оставались активными в течение максимально длительного периода времени, что предположительно достигается за счет балансирования конкуренции между ростом аморфного углерода и sp. ² образование кристаллов графита на частицах катализатора. Окислители могут не только удалять или предотвращать рост аморфного углерода, но также могут протравливать слои графита при использовании в концентрациях, превышающих благоприятные. Хата и др. сообщили о вертикально выровненных ОУНТ миллиметрового масштаба длиной 2,5 мм с использованием CVD-процесса этилена с использованием воды с многослойными слоями оксида Fe / Al или оксида алюминия на пластинах Si. Было высказано предположение, что контролируемая подача пара в CVD-реактор действует как слабый окислитель и избирательно удаляет аморфный углерод, не повреждая при этом растущие УНТ.

Рост на местах

Поскольку все УНТ электропроводны, они имеют тенденцию выравниваться по линиям электрического поля. На основе этого принципа были разработаны различные методы применения достаточно сильного электрического поля в процессе роста УНТ для достижения равномерного выравнивания УНТ. Ориентация ориентированных УНТ в основном зависит от длины УНТ и электрического поля, помимо тепловой рандомизации и сил Ван-дер-Ваальса. Этот метод использовался для выращивания VANTA путем положительного смещения субстрата во время роста CVD.

Другой модифицированный подход к выращиванию VANTA заключается в контроле ориентации ферромагнитных катализаторов, которые имеют одну кристаллографическую магнитную легкую ось. Магнитная легкая ось стремится быть параллельной магнитному полю. В результате приложенная магнитная сила может ориентировать эти магнитные каталитические наночастицы, например, каталитические наночастицы железа и наночастицы Fe ₃ O ₄ . Поскольку только определенная нанокристаллическая грань каталитических наночастиц является каталитически активной и скорость диффузии атомов углерода на этой грани самая высокая, УНТ преимущественно растут с определенной грани каталитических наночастиц, а выращенные УНТ ориентированы под определенным углом.

Индивидуально адресуемые наноструктуры

Углеродные нанотрубки можно выращивать на модифицированной подложке, чтобы обеспечить отдельные электрические контакты с каждой наноструктурой. Этот рост нанотрубок осуществляется путем литографического размещения следов металла, разделенных изоляционным материалом, и соединения этих следов с отдельными участками катализатора на поверхности подложки. Затем нанотрубки выращиваются обычным способом с помощью CVD, и серия реакций на катализаторе образует единственный переход между нанотрубкой и металлическим контактом. Затем наноструктуры можно индивидуально функционализировать, а их электрические отклики измерять индивидуально без перекрестных помех и других узких мест, возникающих из-за неоднородности массива. Этот метод, который обеспечивает точное размещение и конфигурацию отдельных нанотрубок, открывает и расширяет широкий спектр приложений VANTA: диагностическое тестирование многих аналитов одновременно, суперконденсаторы с высокой плотностью энергии, полевые транзисторы и т. д.

Плазменное усиление сердечно-сосудистых заболеваний

Механизм роста

В процессах CVD с плазменным усилением ( PECVD ) электрические поля постоянного тока, радиочастотные электрические поля или микроволны создают плазму, чтобы в первую очередь снизить температуру синтеза УНТ. В то же время над поверхностью подложки также создается электрическое поле (постоянного или переменного тока), которое направляет распространение УНТ. Процесс DC-PECVD для вертикально ориентированных массивов УНТ включает четыре основных этапа: вакуумирование, нагрев, генерация плазмы и охлаждение. Типичная процедура проводится при давлении 8 Торр в NH3 и температуре роста в диапазоне 450–600 ◦. Как только температура и давление стабилизируются, к зазору между двумя электродами прикладывают напряжение смещения постоянного тока величиной 450–650 В для зажигания электрического разряда (плазмы) над образцом. Время роста может варьироваться от пары минут до часов в зависимости от скорости роста и желаемой длины УНТ. Когда достигается конец времени роста, напряжение смещения немедленно снимается, чтобы остановить плазму.

Чжун и др. сообщили о новом аппарате CVD с микроволновой плазмой и точечной дугой, применяемом для SWNT на подложках Si, покрытых сэндвич-подобной нанослойной структурой 0,7 нм Al ₂ O ₃ /0,5 нм Fe/ 5–70 нм Al ₂ O ₃ с помощью обычной высокочастотной технологии. распыление. Впервые был продемонстрирован рост чрезвычайно плотных и вертикально ориентированных ОСНТ с почти постоянной скоростью роста 270 мм/ч в течение 40 минут при температуре всего 600 °C, а объемная плотность выращенных пленок ОСНТ равна выше 66 кг/м ³ .

Катализатор

Формирование плотного и относительно однородного слоя наночастиц катализатора также важно для выращивания вертикально ориентированных ОСУНТ с использованием метода PECVD. Амаратунга и др. сообщили о росте вертикально ориентированных УНТ с использованием метода PECVD постоянного тока с каталитической системой Ni и Co. Их результаты показывают, что выравнивание вертикально ориентированных УНТ зависит от электрического поля и что скорость роста может меняться в зависимости от диаметра УНТ, который достигает максимума в зависимости от температуры роста. ВАНТЫ, состоящие из ОСНТ, были выращены длиной до 0,5 см. Чжун и др. сообщили о новом аппарате CVD с точечной дугой, используемом для обработки SWNT на подложках Si, покрытых сэндвич-подобной нанослойной структурой 0,7 нм Al2O3/0,5 нм Fe/5–70 нм Al ₂ O ₃ с помощью обычного высокочастотного распыления. Впервые был продемонстрирован рост чрезвычайно плотных и вертикально ориентированных ОСНТ с почти постоянной скоростью роста 270 мм/ч в течение 40 минут при температуре всего 600 °C, а объемная плотность выращенных пленок ОСНТ равна выше 66 кг/м ³ .

Поддерживать

Для процессов PECVD подложка должна быть химически стабильной в плазме, богатой H-формами. Некоторые слабосвязанные оксиды, такие как оксид индия, могут быстро восстанавливаться в этой плазме и поэтому обычно не применяются в качестве подложки или подслоя. Подложка также должна быть электропроводной, чтобы поддерживать непрерывный ток постоянного тока через ее поверхность, из которой растут УНТ. Большинство металлов и полупроводников являются очень хорошими материалами для подложек, и изолирующие подложки можно сначала покрыть проводящим слоем, чтобы они правильно работали и поддерживали рост PECVD VANTA.

Источник углерода

C ₂ H ₂ обычно вводится, чтобы вызвать рост УНТ во время PECVD VANTA. Соотношение расходов NH ₃ :C ₂ H ₂ обычно составляет около 4:1, чтобы свести к минимуму образование аморфного углерода. Бер и др. изучили влияние водорода на наночастицы катализатора во время PECVD VANTA и продемонстрировали, что при соотношении H ₂ -CH ₄ около 1 наночастицы железного катализатора превращаются в Fe ₃ растут хорошо графитизированные нанотрубки _{C, а из удлиненных Fe 3} C . кристаллы. Соотношение H ₂ -CH ₄ в исходном газе более 5 приводит к высоким концентрациям водорода в плазме и сильно восстановительным условиям, что предотвращает превращение Fe в Fe ₃ C и приводит к росту плохо графитизированных нановолокон с толстыми стенками.

Температура

Одним из основных преимуществ использования методов выращивания PECVD является низкая температура роста. Ионизация нейтральных молекул углеводородов внутри плазмы облегчает разрыв связей C–H и снижает энергию активации роста УНТ до примерно 0,3 эВ по сравнению с 1,2 эВ, необходимыми для термических CVD-процессов.

Электрофоретическое осаждение

Решения CNT могут формировать VANTA путем выравнивания вдоль линий электрического поля постоянного или переменного тока. УНТ в суспензии поляризуются электрическим полем из-за диэлектрического несоответствия между УНТ и жидкостью. Момент поляризации вращает УНТ в направлении силовых линий электрического поля, выравнивая их в одном направлении. После выравнивания УНТ вынимают из подложки и сушат с образованием функциональных VANTA.

Механическая нагрузка

Случайно ориентированные УНТ на подложке можно растянуть, чтобы выпрямить и распутать пленку, сломав подложку и раздвинув концы. Выровненные УНТ параллельны друг другу и перпендикулярны трещине. Метод растяжения позволяет макроскопически выровнять УНТ, не обеспечивая при этом детерминированный контроль над выравниванием или положением отдельных УНТ во время сборки.

Текущие приложения

Автоэмиссионные устройства

УНТ имеют высокое соотношение сторон (длина, разделенная на диаметр) и создают очень высокую напряженность локального электрического поля вокруг кончиков. Автоэмиссия в твердых телах происходит в интенсивных электрических полях и сильно зависит от работы выхода излучающего материала. В конструкции с параллельными пластинами макроскопическое поле Emacro между пластинами определяется выражением E _macro = V/d, где d — расстояние между пластинами, а V — приложенное напряжение. Если на пластине создается острый объект, то локальное поле Elocal на его вершине больше, чем Emacro, и может быть связано с: E _{локальный} =γ×E _макрос Параметр γ называется коэффициентом усиления поля и в основном определяется формой объекта. Типичные коэффициенты усиления поля в диапазоне от 30 000 до 50 000 могут быть получены из отдельных УНТ, что делает VANTA одним из лучших материалов для электронной эмиссии.

черного тела Поглотитель

Основная статья: Вантаблэк

VANTA предлагают уникальную светопоглощающую поверхность благодаря чрезвычайно низкому показателю преломления и наноразмерной шероховатости поверхности ориентированных УНТ. Ян и др. продемонстрировали, что VANTA с низкой плотностью обладают сверхнизким коэффициентом диффузного отражения 1 × 10–7 с соответствующим интегральным общим коэффициентом отражения 0,045%. Хотя черные покрытия VANTA необходимо напрямую переносить или выращивать на подложках, в отличие от черных покрытий, состоящих из случайных сеток УНТ, которые можно перерабатывать в краски на основе УНТ , они считаются самым черным искусственным материалом на земле.

Таким образом, поглотители черного тела VANTA полезны в качестве поглотителей рассеянного света для улучшения разрешения чувствительных спектроскопов, телескопов , микроскопов и оптических сенсорных устройств. Несколько коммерческих продуктов для оптических черных покрытий, таких как оптическая сажа для нанотрубок Vantablack и adVANTA. изготовлены из покрытий VANTA. Поглотители VANTA также могут увеличить поглощение тепла в материалах, используемых в технологиях концентрированной солнечной энергии, а также в военных целях, таких как тепловой камуфляж. Визуальная демонстрация поглотителей VANTA вызвала интерес у художников, стремящихся извлечь выгоду из гашения теней от шероховатой поверхности. Недавно художник Асиф Хан использовал Vantablack для создания павильона Hyundai в Пхенчхане для зимних Олимпийских игр 2018 года.

Веревки из углеродного волокна

VANTA можно обрабатывать с помощью летучих растворов или скручивать для конденсации в пряжу или канаты из УНТ. Цзян и др. продемонстрировали метод прядения и скручивания, позволяющий получить пряжу УНТ из VANTA, которая имеет круглое поперечное сечение и прочность на разрыв около 1 ГПа. Предел прочности нитей УНТ, полученных из сверхдлинных массивов УНТ высотой 1 мм, может находиться в диапазоне от 1,35 до 3,3 ГПа.

Однонаправленные листы

Луи и др. описать способы управления физическими свойствами листов, полученных из массивов УНТ, включая толщину пленки катализатора, для контроля распределения диаметров трубок и времени выращивания для контроля длины трубок. Эти свойства можно использовать для управления электрическими и оптическими свойствами листа, полученного из массива. Листы могут быть полезны в научных приложениях, таких как поляризация света через лист (степень поляризации также можно контролировать с помощью температуры листа).

Клеевые пленки

Исследования биомимикрии, направленные на воспроизведение прилипания лап геккона к гладким поверхностям, сообщили об успешном использовании VANTA в качестве сухой клейкой пленки . Цюй и др. смог продемонстрировать пленки VANTA, которые демонстрировали макроскопическую силу сцепления ~ 100 ньютонов на квадратный сантиметр, что почти в 10 раз больше, чем у лапы геккона. Это было достигнуто за счет настройки условий роста VANTA для формирования завитков на концах УНТ, которые обеспечивают более сильные межфазные взаимодействия даже с гладкой поверхностью. Цюй и др. также продемонстрировал, что клейкие свойства менее чувствительны к температуре, чем суперклей и скотч.

Датчик газа

VANTA позволяют разрабатывать новые датчики и/или сенсорные чипы без необходимости прямого манипулирования отдельными нанотрубками. Выровненная структура нанотрубок дополнительно обеспечивает большую четко определенную площадь поверхности и возможность модификации поверхности углеродных нанотрубок с помощью различных трансдукционных материалов для эффективного повышения чувствительности и расширения спектра обнаруживаемых аналитов. Вэй и др. сообщили о газовом датчике, изготовленном путем частичного покрытия VANTA полимерным покрытием сверху вниз по длине трубки путем нанесения капли раствора полимера (например, поливинилацетата, ПВА, полиизопрена, ПИ) на пленку нанотрубок, инвертируя композитную пленку в виде отдельно стоящей пленки, а затем напылением двух ленточных электродов золота поперек массивов нанотрубок, выступающих из полимерной матрицы. Было продемонстрировано, что гибкое устройство VANTA успешно обнаруживает пары химических веществ посредством мониторинга изменений проводимости, вызванных взаимодействием переноса заряда с молекулами газа и / или изменениями расстояния между трубками, вызванными набуханием полимера в результате поглощения газа. На сегодняшний день УНТ продемонстрировали чувствительность к таким газам, как NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , C ₂ H ₄ , CO, SO ₂ , H ₂ S и O ₂ .

Биологический датчик

ВАНТА действует как лес молекулярных проводов, обеспечивая электрическую связь между лежащим под ним электродом и биологическим объектом. Основными преимуществами VANTA являются наноразмер чувствительного элемента УНТ и соответствующее небольшое количество материала, необходимое для обнаруживаемого ответа. Хорошо выровненные массивы УНТ использовались в качестве сенсоров рибонуклеиновой кислоты ( РНК ), сенсоров ферментов , сенсоров ДНК и даже сенсоров белков . Подобные VANTA из MWNT, выращенные на платиновых подложках, полезны для амперометрических электродов, где кислородсодержащие или функционализированные открытые концы нанотрубок используются для иммобилизации биологических видов, в то время как платиновая подложка обеспечивает передачу сигнала. Для повышения селективности и чувствительности амперометрических биосенсоров при изготовлении биосенсоров часто используют искусственные медиаторы и пермселективные покрытия. Искусственные медиаторы используются для перемещения электронов между ферментом и электродом, чтобы обеспечить работу при низких потенциалах. Гудинг и др. продемонстрировали, что укороченные ОСНТ могут быть выровнены перпендикулярно электроду путем самосборки и действовать как молекулярные провода, обеспечивая электрическую связь между нижележащим электродом и окислительно-восстановительными белками, ковалентно прикрепленными к концам ОСНТ. Высокая скорость переноса электронов через нанотрубки к редокс-белкам ясно демонстрируется сходством констант скорости переноса электронов к MP-11 независимо от того, присутствуют или нет SWNT.

Материалы термоинтерфейса

Интерфейсы VANTA более теплопроводны, чем обычные материалы термоинтерфейса при тех же температурах, поскольку фононы легко распространяются вдоль УНТ с высокой теплопроводностью и, таким образом, тепло переносится в одном направлении вдоль ориентации УНТ. Распределение и выравнивание теплопроводящих наполнителей УНТ являются важными факторами, влияющими на транспорт фононов. Хуанг и др. продемонстрированный теплопроводный композит демонстрирует улучшение на 0,65 Вт/м/К при загрузке VANTA 0,3 мас.%, тогда как повышенная теплопроводность композита с загрузкой 0,3 мас.% случайно диспергированных УНТ ниже 0,05 Вт/м/К. . Тонг и др. сообщили, что массивы УНТ могут эффективно использоваться в качестве термоинтерфейсных материалов (TIM) из-за их высокой проводимости, которая, по их данным, составляет ~ 10^5 Вт/м^2/К. Материалы термоинтерфейса — это материалы, которые могут улучшить теплопроводность поверхностей за счет высокой теплопроводности; полезно иметь материалы, которые можно спроектировать так, чтобы они соответствовали любой геометрии. Кроме того, геометрия систем VANTA обеспечивает анизотропную теплопередачу. Иванов и др. обнаружили, что с помощью VANTA можно достичь анизотропной теплопередачи: они достигли коэффициента температуропроводности до 2,10,2 см^2/с, коэффициента анизотропии до 72 и обнаружили теплопроводность, превышающую теплопроводность материалов, используемых сегодня в микроэлектронике. Свойства теплопередачи во многом зависят от структуры массива, поэтому методы, используемые для производства продукта, должны быть единообразными и воспроизводимыми для широкого использования. Дефекты структуры также могут резко нарушить теплопередающие свойства материала.

Солнечные батареи

Вертикально выровненные периодические массивы углеродных нанотрубок (УНТ) используются для создания топографически улучшенных фотоэлектрических элементов, улавливающих свет. УНТ образуют задний контакт устройства и служат каркасом для поддержки фотоактивного гетероперехода. Молекулярно-лучевая эпитаксия используется для нанесения CdTe и CdS в качестве материалов p/n-типа, а ионно-активированное осаждение используется для нанесения конформного покрытия из оксида индия-олова в качестве прозрачного верхнего контакта. Фототок, производимый «на см2 площади» устройства на основе УНТ, в 63 раза больше, чем у коммерчески доступного планарного монокристаллического кремниевого устройства.

Транзисторы

ВАНТЫ ОСНТ с идеально линейной геометрией применимы в качестве высокопроизводительных p- и n-канальных транзисторов, а также униполярных и комплементарных логических элементов. Превосходные свойства устройств напрямую связаны с полным отсутствием, с точностью до экспериментальной неопределенности, каких-либо дефектов в матрицах, определяемых трубками или сегментами трубок, которые смещены или имеют нелинейную форму. Большое количество SWNT обеспечивает превосходные рабочие характеристики на уровне устройства и хорошую однородность между устройствами, даже если SWNT являются электронно неоднородными. Измерения на p- и n-канальных транзисторах, в которых используется около 2100 SWNT, показывают подвижность на уровне устройства и масштабированную крутизну, приближающуюся к примерно 1000 см2 В-1 с-1 и $ 3000 См·м-1 соответственно, а также с выходным током до примерно до 1 А в устройствах, в которых используются встречно-штыревые электроды.

Низкодиэлектрический материал

Материалы с низким κ и низкой относительной диэлектрической проницаемостью используются в качестве изолирующих слоев в интегральных схемах для уменьшения емкости связи . Относительную диэлектрическую проницаемость электроизоляционных слоев можно дополнительно уменьшить путем введения полостей в материалы с низким κ. При использовании вытянутых и ориентированных пор можно существенно снизить эффективную величину κ, не увеличивая при этом долю объема полости в диэлектрике. УНТ в VANTA имеют высокое соотношение сторон и могут использоваться для введения удлиненных ориентированных пор в диэлектрик с низким κ для дальнейшего снижения эффективного значения κ диэлектрика.

Поддержка катализатора

Палладий, нанесенный на вертикально ориентированные многостенные углеродные нанотрубки (Pd/VA-УНТ), используется в качестве катализатора реакций сочетания CC п-йоднитробензола со стиролом и этилакрилатом при микроволновом облучении. Катализатор Pd/VA-УНТ проявляет более высокую активность по сравнению с Pd, нанесенным на активированный уголь, в тех же условиях реакции. Благодаря микроволновому облучению кинетика реакции сильно ускоряется по сравнению с кинетикой, полученной при традиционном режиме нагрева. Макроскопическая форма ориентированного носителя УНТ позволяет легко восстанавливать катализатор, избегая дорогостоящих процессов разделения после реакции. Кроме того, взаимодействие активной фазы с носителем приводит к незначительному выщелачиванию палладия в ходе рециклинговых испытаний. Наблюдаемые результаты указывают на то, что Pd/УНТ представляют собой пригодную для повторного использования и стабильную гетерогенную каталитическую систему.

Топливный элемент

Топливные элементы состоят из трех сэндвич-сегментов: анода , электролита и катода в реакционной ячейке, где электричество производится внутри топливных элементов в результате реакций между внешним топливом и окислителем в присутствии электролита. На аноде находится катализатор, который окисляет топливо, превращая его в положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Это топливо обычно представляет собой водород, углеводороды и спирты. Электролит блокирует транспортировку электронов, одновременно проводя ионы. Ионы, проходящие через электролит, воссоединяются на катоде с электронами, проходящими через нагрузку во время реакции с окислителем с образованием воды или углекислого газа. Идеальными подложками для анодов для осаждения каталитических наночастиц являются пористые проводящие материалы, позволяющие максимизировать электрокаталитическую активность. Таким образом, VANTA являются идеальными материалами из-за присущей им высокой проводимости, большой площади поверхности и стабильности в большинстве электролитов топливных элементов. Типичным катализатором, нанесенным на аноды VANTA, является платина, которую можно электроосаждать на отдельные УНТ VANTA. Электрокаталитическая активность на аноде оптимальна, когда частицы Pt равномерно распределены внутри VANTA.

Гонг и др. сообщили, что VANTA, легированный азотом, может действовать как безметалловый электрод с гораздо лучшей электрокаталитической активностью, долгосрочной стабильностью работы и устойчивостью к перекрестному эффекту, чем платина, для восстановления кислорода в щелочных топливных элементах. В насыщенном воздухом 0,1-молярном гидроксиде калия наблюдался установившийся выходной потенциал -80 милливольт и плотность тока 4,1 миллиампер на квадратный сантиметр при -0,22 вольт по сравнению с -85 милливольт и 1,1 миллиампер на квадратный сантиметр при – 0,20 Вольт для платиново-углеродного электрода. Включение электроноакцепторных атомов азота в углеродную плоскость сопряженной нанотрубки, по-видимому, придает относительно высокую плотность положительного заряда соседним атомам углерода. Этот эффект в сочетании с выравниванием легированных азотом УНТ обеспечивает четырехэлектронный путь для реакций восстановления кислорода на VANTA с превосходными характеристиками.

Суперконденсаторы

Как и обычные конденсаторы , суперконденсаторы VANTA и электромеханические приводы обычно состоят из двух электродов, разделенных электронно-изолирующим материалом, который обладает ионной проводимостью в электрохимических устройствах. Емкость обычного плосколистового конденсатора обратно зависит от межэлектродного расстояния. Напротив, емкость электрохимического устройства зависит от разделения заряда на электроде и противозаряда в электролите. Поскольку это расстояние для УНТ в электродах VANTA составляет около нанометра по сравнению с микрометровым или более крупным разделением в обычных диэлектрических конденсаторах, очень большие емкости возникают из-за большой площади поверхности УНТ, доступной для электролита. Эти емкости (обычно 15–200 Ф/г, в зависимости от площади поверхности массива нанотрубок) приводят к инжекции большого количества заряда при подаче всего нескольких вольт.

Футаба и др. сообщил о методе формирования суперконденсаторов из сплющенной VANTA путем осаждения прямых УНТ путем смачивания их жидкостью. Емкость твердого ЭДЖК ОУНТ была оценена как 20 Ф г. ⁻¹ из разрядных кривых ячеек, заряженных при 2,5 В для двухэлектродной ячейки, и соответствует 80 Ф г ⁻¹ для трехэлектродной ячейки. Плотность энергии (W = CV ² /2) оценивалась в 69,4 Вт·ч кг. ⁻¹ (от 80 Ф г ⁻¹ ) при нормализации к весу одного электрода.

Питканен и др. продемонстрировали встроенное хранение энергии с использованием архитектуры сильно ориентированных вертикальных углеродных нанотрубок, действующих как суперконденсаторы, способных обеспечивать большую емкость устройства. Эффективность этих структур еще больше повышается за счет включения электрохимически активных наночастиц, таких как MnOx, для формирования псевдоемкостной архитектуры, тем самым увеличивая удельную емкость по площади до 37 мФ/см2.

Батареи

В отличие от ультраконденсаторов, где растворитель электролита не участвует в механизме накопления заряда, растворитель электролита способствует образованию межфазной границы твердое тело-электролит в батареях. Литий -ионные аккумуляторы обычно состоят из активного угольного анода, литий-кобальтового оксидного катода и органического электролита. Чтобы получить лучшие характеристики электродов, чем сети случайных УНТ и композитов УНТ, используются VANTA, обеспечивающие лучший транспорт электронов и большую площадь поверхности.

Наноструктурные материалы привлекают повышенное внимание из-за их способности смягчать ограничения по току электродов. Однако в качестве активного электродного материала в литий-ионных батареях можно использовать вертикально ориентированные многостенные углеродные нанотрубки (ВА-МУНТ). При низких удельных токах эти ВА-МУНТ показали высокие обратимые удельные емкости (до 782 мАч г-1 при 57 мА г-1). Это значение вдвое превышает теоретический максимум для графита и в десять раз больше, чем его неприсоединенный эквивалент. Интересно, что при очень высоких скоростях разряда электроды из ВА-МУНТ сохраняют умеренную удельную емкость благодаря своей ориентированной природе (166 мАч/г при 26 А/г). Эти результаты показывают, что VA-MWNT являются хорошими кандидатами на роль электродов для литий-ионных аккумуляторов, которым требуется высокая скорость и емкость.

Будущий потенциал

Космический лифт

Благодаря высокой прочности на разрыв и большому соотношению сторон углеродных нанотрубок, VANTA являются потенциальным материалом для концепции космического лифта.

Замена кремния в транзисторах нового поколения

Углеродные нанотрубки имеют гораздо более высокую подвижность носителей, чем кремний, и, следовательно, могут быть намного быстрее и энергоэффективнее при использовании в электронике в качестве замены кремния.

Проблемы, препятствующие коммерциализации

Существует три основные проблемы, препятствующие более широкой коммерциализации технологии на основе углеродных нанотрубок: разделение металлических и полупроводниковых нанотрубок, высокое сопротивление перехода из-за очень маленькой площади контакта и размещение нанотрубок точно (нанометровое разрешение) там, где им нужно идти в цепи. Была проведена большая работа по снижению контактного сопротивления в устройствах из углеродных нанотрубок. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что добавление межфазного графитового слоя во время синтеза снижает сопротивление перехода. Исследователи из IBM Watson также прикрепили химические каркасы к базовой точке контакта нанотрубки с аналогичным эффектом.