stringtranslate.com

Углеродный горошек

Генерация молекул фуллерена внутри углеродной нанотрубки (УНТ) – in situ наблюдение с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). [1]
Изображения ПЭМ стручков гороха M 3 N@C 80. Атомы металла (M = Ho или Sc) видны как темные пятна внутри молекул фуллерена; они дважды инкапсулированы в молекулах C 80 и в нанотрубках. [2]
Изображение, полученное с помощью ПЭМ, широкой двухслойной УНТ, плотно заполненной фуллеренами С60 . [ 3]

Углеродный горох — это гибридный наноматериал, состоящий из сфероидальных фуллеренов , инкапсулированных в углеродную нанотрубку . Он назван так из-за их сходства со стручком гороха. Поскольку свойства углеродного гороха отличаются от свойств нанотрубок и фуллеренов, углеродный горох можно признать новым типом самоорганизующейся графитовой структуры. [4] Возможные применения нано-гороха включают нанолазеры , одноэлектронные транзисторы , массивы спин-кубитов для квантовых вычислений, нанопипетки и устройства хранения данных благодаря эффектам памяти и сверхпроводимости нано-гороха. [5] [6]

История

Однослойные нанотрубки (SWNT) были впервые обнаружены в 1993 году в виде цилиндров, скрученных из одного листа графена . В 1998 году Брайан Смит, Марк Монтью и Дэвид Луцци наблюдали первый гороховый стручок. [7] Идея гороха возникла из структуры, которая была получена внутри просвечивающего электронного микроскопа в 2000 году. [4] Впервые они были обнаружены во фрагментах, полученных с помощью синтеза с помощью импульсного лазерного испарения, за которым последовала обработка кислотой и отжиг. [8] [9] [10]

Производство и структура

Углеродные горошины могут быть получены естественным путем во время синтеза углеродных нанотрубок путем импульсного лазерного испарения. Примеси фуллерена C 60 образуются во время отжига и кислотной очистки и попадают в нанотрубки через дефекты или диффузию в паровой фазе. [11] Фуллерены внутри нанотрубки стабилизируются только при разнице диаметров 0,34 нм или менее, и когда диаметры почти идентичны, энергия взаимодействия возрастает до такой степени (сравнимой с 0,1 ГПа), что фуллерены становятся неспособными извлекаться из SWNT даже в условиях высокого вакуума. [4] Инкапсулированные фуллерены имеют диаметры, близкие к диаметру C 60 , и образуют цепочку внутри трубки. Контролируемое производство углеродных горошинов позволяет добиться большего разнообразия как в структуре нанотрубок, так и в составе фуллеренов. Различные элементы могут быть включены в углеродный горошину посредством легирования и будут существенно влиять на полученные свойства тепло- и электропроводности.

Химические свойства

Существование углеродных горошин демонстрирует дополнительные свойства углеродных нанотрубок, такие как потенциал быть строго контролируемой средой для реакций. Молекулы C 60 обычно образуют аморфный углерод при нагревании до 1000–1200 °C в условиях окружающей среды; при нагревании до такой высокой температуры внутри углеродной нанотрубки они вместо этого упорядоченно объединяются, образуя еще одну SWNT, создавая таким образом двухстенную углеродную нанотрубку. [4] Благодаря легкости, с которой фуллерены могут инкапсулироваться или быть легированными другими молекулами, и прозрачности нанотрубок для электронных пучков, углеродные горошинники также могут служить в качестве наномасштабных пробирок. После того, как фуллерены, содержащие реагенты, диффундируют в SWNT, можно использовать высокоэнергетический электронный луч, чтобы вызвать высокую реакционную способность, тем самым вызывая образование димеров C 60 и слияние их содержимого. [12] [13] Кроме того, поскольку замкнутые фуллерены ограничены только одномерной степенью подвижности, можно легко изучать такие явления, как диффузия или фазовые превращения . [11]

Электронные свойства

Диаметр углеродных пиподов варьируется от 1 до 50 нанометров. Различные комбинации размеров фуллерена C 60 и структур нанотрубок могут приводить к различным свойствам электропроводности углеродных пиподов из-за ориентации вращений. Например, пипод C 60 @ (10,10) является хорошим сверхпроводником, а пипод C 60 @ (17,0) является полупроводником. Рассчитанная ширина запрещенной зоны C 60 @ (17,0) равна 0,1 эВ. [14] Исследования их потенциала как полупроводников все еще продолжаются. Хотя и легированные фуллериды , и веревки SWNT являются сверхпроводниками, к сожалению, критические температуры для сверхпроводящего фазового перехода в этих материалах низкие. Есть надежды, что углеродные нанопиподы могут быть сверхпроводящими при комнатной температуре. [15]

С помощью химического легирования электронные характеристики peapods могут быть дополнительно скорректированы. Когда carbon peapod легируется атомами щелочных металлов, таких как калий, легирующие примеси будут реагировать с молекулами C 60 внутри SWNT. Он образует отрицательно заряженную C 60 6− ковалентно связанную одномерную полимерную цепь с металлической проводимостью. В целом, легирование SWNT и peapods атомами щелочных металлов активно повышает проводимость молекулы, поскольку заряд перемещается от ионов металла к нанотрубкам. [16] Легирование углеродных нанотрубок окисленным металлом является еще одним способом регулировки проводимости. Это создает очень интересное высокотемпературное сверхпроводящее состояние, поскольку уровень Ферми значительно снижается. Хорошим применением было бы введение диоксида кремния в углеродные нанотрубки. Это создает эффект памяти, поскольку некоторые исследовательские группы изобрели способы создания запоминающих устройств на основе carbon peapods, выращенных на поверхностях Si/SiO 2. [17] [18]

Ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Carbon peapods .
  1. ^ Горантла, Сандип; Бёрнерт, Феликс; Бахматюк, Алисия; Димитракопулу, Мария; Шенфельдер, Ронни; Шеффель, Франциска; Томас, Юрген; Гемминг, Томас; Боровяк-Пален, Ева; Уорнер, Джейми Х.; Якобсон Борис И.; Эккерт, Юрген; Бюхнер, Бернд; Руммели, Марк Х. (2010). «Наблюдения на месте синтеза и выброса фуллеренов в углеродных нанотрубках». Наномасштаб . 2 (10): 2077–9. Бибкод : 2010Nanos...2.2077G. дои : 10.1039/C0NR00426J. ПМИД  20714658.
  2. ^ Хименес-Лопес, Мария дель Кармен; Чувилин, Андрей; Кайзер, Уте; Хлобыстов, Андрей Н. (2011). «Функционализированные эндоэдральные фуллерены в однослойных углеродных нанотрубках». Chem. Commun . 47 (7): 2116–2118. doi :10.1039/C0CC02929G. hdl : 10347/32317 . PMID  21183975.
  3. ^ Барзегар, Хамид Реза; Грасия-Эспино, Эдуардо; Ян, Аиминг; Охеда-Аристисабаль, Клаудия; Данн, Габриэль; Вагберг, Томас; Зеттл, Алекс (2015). «Гибриды C60/коллапсированных углеродных нанотрубок: вариант Peapods». Nano Letters . 15 (2): 829–34. Bibcode : 2015NanoL..15..829B. doi : 10.1021/nl503388f . PMID  25557832.
  4. ^ abcd Иидзима, Сумио (2002). «Углеродные нанотрубки: прошлое, настоящее и будущее». Physica B: Condensed Matter . 323 (1–4): 1–5. Bibcode :2002PhyB..323....1I. doi :10.1016/S0921-4526(02)00869-4.
  5. ^ Квон, Ён-Кюн; Томанек, Давид ; Иидзима, Сумио (1999). "Устройство памяти «Bucky Shuttle»: синтетический подход и моделирование молекулярной динамики». Physical Review Letters . 82 (7): 1470–1473. Bibcode : 1999PhRvL..82.1470K. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.1470.
  6. ^ Utko, Pawel; Nygård, Jesper; Monthioux, Marc; Noé, Laure (2006). "Субкельвиновская транспортная спектроскопия квантовых точек фуллерена peapod". Applied Physics Letters . 89 (23): 233118. Bibcode : 2006ApPhL..89w3118U. doi : 10.1063/1.2403909. S2CID  120800423.
  7. ^ Пихлер, Т.; Кузмани, Х.; Катаура, Х.; Ачиба, Й. (2001). «Металлические полимеры C 60 внутри однослойных углеродных нанотрубок». Physical Review Letters . 87 (26): 267401. Bibcode : 2001PhRvL..87z7401P. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.267401. PMID  11800854.
  8. ^ Burteaux, Beatrice; Claye, Agnès; Smith, Brian W.; Monthioux, Marc; Luzzi, David E.; Fischer, John E. (1999). «Распространенность инкапсулированного C60 в однослойных углеродных нанотрубках». Chemical Physics Letters . 310 (1–2): 21–24. Bibcode : 1999CPL...310...21B. doi : 10.1016/S0009-2614(99)00720-4 .
  9. ^ Смит, Брайан В.; Монтиу, Марк; Луцци, Дэвид Э. (1998). «Инкапсулированный C 60 в углеродных нанотрубках». Nature . 396 (6709): 323–324. Bibcode :1998Natur.396R.323S. doi :10.1038/24521. S2CID  30670931.
  10. ^ Смит, Брайан В.; Монтиу, Марк; Луцци, Дэвид Э. (1999). «Фуллерены, инкапсулированные в углеродные нанотрубки: уникальный класс гибридных материалов». Chemical Physics Letters . 315 (1–2): 31–36. Bibcode : 1999CPL...315...31S. doi : 10.1016/S0009-2614(99)00896-9 .
  11. ^ ab Smith, Brian W.; Luzzi, David E. (2000). «Механизм образования фуллереновых пиподов и коаксиальных трубок: путь к крупномасштабному синтезу». Chemical Physics Letters . 321 (1–2): 169–174. Bibcode : 2000CPL...321..169S. doi : 10.1016/S0009-2614(00)00307-9.
  12. ^ Terrones, M (2010). «Трансмиссионная электронная микроскопия: Визуализация химии фуллеренов». Nature Chemistry . 2 (2): 82–3. Bibcode : 2010NatCh...2...82T. doi : 10.1038/nchem.526. PMID  21124394.
  13. ^ Симидзу, Тошики; Лунгерих, Доминик; Харано, Кодзи; Накамура, Эйити (24 мая 2022 г.). «Визуализация стохастических каскадных реакций с временным разрешением от субмиллисекунды до секунды на уровне Ангстрема». Журнал Американского химического общества . 144 (22): 9797–9805. arXiv : 2202.13332 . doi : 10.1021/jacs.2c02297. PMID  35609254. S2CID  247158917. Получено 26 мая 2022 г.
  14. ^ Чэнь, Цзянвэй; Дун, Цзиньмин (2004). «Электронные свойства гороха: эффекты вращения фуллерена и различные типы трубок». Журнал физики: конденсированное вещество . 16 (8): 1401–1408. Bibcode : 2004JPCM...16.1401C. doi : 10.1088/0953-8984/16/8/021. S2CID  250811298.
  15. ^ Сервис, РФ (2001). "ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА: Нанотрубки 'Peapods' показывают электризующие перспективы". Science . 292 (5514): 45. doi :10.1126/science.292.5514.45. PMID  11294210. S2CID  33284325.
  16. ^ Yoon, Young-Gui; Mazzoni, Mario SC; Louie, Steven G. (2003). "Квантовая проводимость углеродных нанотрубок гороха". Applied Physics Letters . 83 (25): 5217. Bibcode : 2003ApPhL..83.5217Y. doi : 10.1063/1.1633680.
  17. ^ Ли, CH; Канг, KT; Парк, KS; Ким, MS; Ким, HS; Ким, HG; Фишер, JE; Джонсон, AT (2003). «Устройства нанопамяти однослойного и структурного полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки Peapod». Японский журнал прикладной физики . 42 : 5392–5394. Bibcode : 2003JaJAP..42.5392L. doi : 10.1143/JJAP.42.5392 . S2CID  33790729.
  18. ^ Крив, IV; Шехтер, RI; Джонсон, M. (2006). "Углеродные "гороховые стручки" — новая настраиваемая наномасштабная графитовая структура (Обзор)". Low Temperature Physics . 32 (10): 887. Bibcode : 2006LTP....32..887K. doi : 10.1063/1.2364474.