Наноалмазы. Их получение, свойства и применение

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «КиПР»

Реферат

Наноалмазы. Их получение, свойства и применение

Выполнил:

ст-т гр. Р54-5

К.А. Пешков

Проверил:

Томилин В.И.

Красноярск 2006

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение..1

1.1.Наноалмазное состояние..1

1.2 Алмазные нанотехнологии…………………………………………………2

2. Получение……………………………………………………………………4

3. Физическая природа наноалмазного состояния………………………..6

3.1 Алмазная квантовая точка………………………………………………….6

3.2 Описание поверхности алмаза……………………………………………..7

3.3 Полупроводник из алмазных квантовых точек………………………..….8

3.4 Наноалмазное состояние в углеродной электронике……………………11

4. Супрамолекулярная химия наноалмаза……………………………..…13

4.1 Молекула алмаза…………………………………………………………...13

4.2 Микроэмульсии и катализ наночастицами углерода……………………16

5. Новые применения алмазных нанотехнологий………………………..16

5.1 Традиционные применения наноалмаза………………………………….16

5.2 Свойства нанокристаллических алмазных пленок……………………....17

5.3 Автоэмиссионные катоды и вакуумная микроэлектроника…………….18

5.4 Получение резонансных наноэлектромеханических структур…………20

5.5 Новые технологические приложения наноалмаза………………………21

5.6 К приборам на гетерогенных наноалмазных структур…………………21

5.7 Наноалмаз в биологии…………………………………………………….24

6. Вывод……………………………………………………………………….25

7. Список Литературы……………………………………………………...26

1.Введение

1.1.Наноалмазное состояние

За многие годы исследования наноалмазного состояния (NDS) в природном алмазе, алмазных пленках и самих частицах наноалмаза (ND) накоплено огромное количество экспериментальных и теоретических результатов. Основную мысль, позволяющую конструктивно обобщить эксперимент, высказал Тамм при рассмотрении трехмерных структур на поверхности алмаза. Точно решив задачу о поверхностных электронных состояниях в одном измерении, перпендикулярном границе раздела между диэлектриком и вакуумом, Тамм предложил для двумерной границы раздела рассматривать электронные волны де Бройля с энергией порядка колебательной энергии углеродной связи, величина которой составляет 0.1 eV, а соответствующая длина волны де Бройля порядка 4 nm . Следующая идея, лежащая в основе рассмотрения NDS в данной работе, была высказана Лифшицем и Пекаром, которые построили качественную физическую картину одномерных поверхностных состояний и предсказали нулевые значения холловского и магнитосопротивления для систем из нанокристаллов, когда энергия квазиодномерных поверхностных состояний ниже, чем двумерных, и проводимость определяется движением носителей по ребрам нано- и микрокристаллов . Этот эффект экспериментально наблюдался в пористом полупроводнике из наноалмаза и пироуглерода (NDC) (см. раздел 2). Для корректного обсуждения полупроводников из квантовых точек важным является представление Лифшица о размерном квантовании в системе кристаллических наночастиц, неупорядоченно расположенных в пространстве. В этой же работе было рассмотрено "выжигание провалов" и квантового расщепления в распределении колебательных мод . Последнее представление является разумной альтернативой локализованному представлению колебательных частот, однако почему-то ни разу не использовалось для анализа ИК и КР спектров наноалмаза.

1.2 Алмазные нанотехнологии

Наноалмаз используется для инициирования роста алмазных пленок более 10 лет, но только в последний год были получены нанокристаллические пленки с параметрами, близкими к алмазу. Замечательно, что в биологических приложениях эти пленки превосходят по устойчивости пленки из золота, стекла и кремния . Возможность получения резонансных структур в алмазных пленках открыла новые перспективы для создания наноэлектромеханических систем (NEMS). Новое достижение при создании наноустройств, которые функционируют с фундаментальными частотами более 10Ггц, представляет собой значительное продвижение в поисках чрезвычайно высокочастотных NEMS . Успех наноэлектроники, основанной на поверхностных состояниях алмаза, позволил создать мощные полевые транзисторы с частотами до 30Ггц . Алмазная нанотехнология позволяет избирательно адсорбировать биомолекулы на пленки . Наноалмаз также сильно взаимодействует с биологическими системами . Универсальность нанокристаллического состояния алмаза тесно связывает новые приложения с развитием моделей структуры наноалмаза и широким недавним обсуждением роли метеоритного наноалмаза на ранних стадиях развития солнечной системы.

2. Получение

Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза (УДА) получают из плазмы путем детонации специальных мощных смесевых взрывчатых веществ (ВВ) в неокислительной среде. Получаемая после взрыва алмазная шихта содержит 30-60 масс.% алмазов с размером от 1 до 120 нм (средний их размер 4-6 нм) и подвергается затем химической очистке, самой совершенной из которых является окисление неалмазного углерода (35-65 масс.%) и растворение металлсодержащих примесей (2-5 масс.%) в водной азотной кислоте при высоких температурах (240-260°С) и давлении (до 100 атм).

Получаемые в крайне нестационарном режиме во фронте детонационной волны и в очень короткое время (менее 10~⁶ с) микрокристаллы алмаза обладают большим количеством поверхностных дефектов. Из-за этого поверхностные атомы углерода кристаллов алмаза не успевают стабилизировать свою электронную оболочку стандартным образом - замыканием своих неспаренных электронов на соответствующие связи с внутренними атомами углерода кристаллической решетки. Поэтому стабилизация возмущенной электронной оболочки поверхностных атомов углерода в кристаллах алмаза происходит за счет образования различных функциональных кислородосодержащих групп из кислорода и водорода, содержащихся в молекулах исходных ВВ. Таким образом, кристаллы УДА, имея химически пассивное ядро классического кубического алмаза круглой или овальной формы, в то же время имеют и достаточно химически активную поверхностную "бахрому" не опасных для живого организма функциональных групп (окси-, карбокси, карбонильные и др.), придающих поверхности гидрофильные свойства. Кроме того, каждый кристалл УДА, имея большое число неспаренных электронов - (3-7) ^. 10¹⁹ спин/см³, представляет по сути мощный множественный радикал . УДА имеют еще ряд существенных отличий от алмазов другой природы. Так, УДА имеют аномально высокие адсорбционные характеристики - от 1 до 10 мкг-экв/м² , очень большую удельную поверхность - до 450 м²/г. Для сравнения, самая большая удельная поверхность у алмазов (алмазы статического синетза марки АСМ 1/0) равна лишь 13,5 м /г . Если обычный алмаз является диамагнетиком с постоянной           величиной           магнитной            восприимчивости           χ= -0,62 ^. 10^-8 м³/кг, то у УДА эта величина может иметь χ à 0. Если электрофоретический заряд поверхности у алмазов марки АСМ 1/0 равен минус 6,53 мДж/моль, то у УДА эта величина составляет минус 78,44 мДж/моль.