Механические свойства углеродных нанотрубок

Нанокомпозиты. Армирование. Адгезионная прочность

Поскольку наноструктурированные материалы имеют специфическую зави­симость механических свойств от размера зерен, а также в большинстве своем проявляют большую прочность на сжатие, чем на разрыв, особый интерес могут представлять нанокомпозиты, в которых совмещаются твердость армирующих наночастиц и прочность матрицы. Подобные системы позволяют свести к минимуму хрупкость наночастиц и изменение (относительное удлинение или сжатие) материала в области упругих деформаций. Кроме того, в композиционных материалах можно совмещать прочность на разрыв и сжатие, принадлежащие матрице и армирующей добавке, соответственно.

Так, в частности, нанокомпозиты с улучшенными механическими свой­ствами можно создавать путем армирования полимерных, металлических или керамических материалов. Например, при добавлении наномодификаторов (в частности, ультрадисперсных углеродных материалов - алмазов или угле­родных нанотрубок) увеличивается модуль и предел упругости, однако это увеличение сравнительно невелико.

Введение углеродных нанотрубок в металлическую матрицу позволяет уменьшить силу трения, что приводит к улучшению трибологических свойств (для никеля износ уменьшается в 4 раза). Аналогичное увеличение износостойкости наблюдается и при армировании углеродными наночастицами полимерных материалов.

На эффективность армирующей добавки сильно влияют адгезионные свой­ства матрицы. При увеличении интенсивности взаимодействия элементов нанокомпозита на молекулярном уровне наблюдается улучшение механических свойств, поскольку исключается проскальзывание между частицами вдоль армирующей добавки.

Благодяря высоким значениям твердости и прочности, материалы на основе углерода привлекают большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Уже для обычных углеродных волокон, получаемых пиролизом органических веществ (смол, полиакрилнитрила), модуль Юнга составляет от 300 до 800 ГПа. Графитовые вискеры, получаемые в углеродной дуге постоян­ного тока, также характеризуются высоким модулем Юнга - 800 ГПа. Однако диаметры подобных нитей составляют несколько микрометров, в то время как открытие углеродных нанотрубок дает возможность изготавливать материалы с диаметром "волокон" от 2,5 до 30 нм.

Помимо специфического строения и электронных свойств углеродные нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Теоретические расчеты предсказывали для них модуль Юнга - 1000 ГПа (модуль Юнга графитового листа). Кроме того, бездефектность нанотрубок пред­полагает высокие значения прочности (разрушающего напряжения). Следует отметить, что из-за малых диаметров углеродных нанотрубок их исключительная твердость при сжатии и растяжении не означает, что трубки устойчивы к изгибу. Они могут сильно гнуться, но не ломаться (для большинства материалов разру­шение при изгибе происходит за счет микротрещин и межзеренных границ). Однако ввиду сложности постановки эксперимента на отдельных нанотрубках подтверждение расчетных характеристик весьма затруднено.

Первые экспериментальные оценки модуля Юнга углеродных нанотрубок (1991 г.) дали значения в интервале 0,32 - 1,47 ТПа при теоретической прочности от 0,5 до 5 ТПа (среднее значение -1.8 ТПа, что на порядок превосходит модуль Юнга стали). Измеренные экспериментально разрушающие напряжения (до 120 ГПа) значительно превышают прочность всех известных материалов. Численные значения модуля Юнга были получены путем анализа среднеквадратичной амплитуды колебаний нанотрубок как функции температуры.

Свойства нанотрубок могут сильно зависеть не только от строения (одно- или многостенные) но и от их диаметра (в опытах на изгиб) и хиральности (в опытах на сжатие и растяжение). Так, простейшие расчеты, в которых связи между атомами представлены как упругие элементы, в которых напряжение пропорционально относительному удлинению (аналогично пружинам), показали, что зигзагообразные нанотрубки в полтора раза тверже креслоообразных (рис. 8).

Моделирование методом молекулярной динамики предсказывает поведение углеродных нанотрубок при разной деформации: при сжатии зависисимость напряжение-деформация имеет особенности (рис. 9)

Уникальные механические свойства и малые размеры нанотрубок позволяют их как армирующие волокна для увеличения прочности, твердости и износостойкости материалов, при создании сверхпрочных нитей, зондах атомно-силовой микроскопии.

Рис.8.

Рис. 9.

Лекция 6.

НАНОЛИТОГРАФИЯ

Нанолитография является альтернативой матричному синтезу наноструктури-рованных материалов и композитов. В настоящее время под «литографией» пони­мают метод подготовки поверхности путем использования некоторого шаблона, который определяет структуру конечного объекта, или же непосредственной ее модификации направленным локальным воздействием Сегодня термин «лито­графия» обозначает ключевую технологию массового производства микро­схем с использованием масок в качестве шаблона, полностью определяющего последовательность структур на поверхности кремния или других полупрово­дниковых кристаллов.

Развитие метода литографии сегодня ориентировано на создание топологи­ческого рисунка на поверхности монокристаллических кремниевых пластин. Учитывая размеры современных транзисторов (-200 нм для технологии 0,09 мкм), можно говорить о технологии «нанолитографии».

Общий принцип литографии фаюпчески не зависит от размеров наносимых элементов и сохраняется неизменным на протяжении последних 50 лет. Техно­логическая схема литографических устройств для создания нано- и микро­структур включает источник излучения, оптическую систему, позволяющую сформировать нерасходящийся пучок, маску, оптическую фокусирующую систему и подложку с нанесенным фоторезистом (рис. 1).

Время экспозиции (выдержка) определяется материалом резиста и типом используемого излучения. Для проявления топографического рисунка подложку обрабатывают проявителем, который вымывает определенные участки резистивной пленки. Полученные таким образом подложки используют для нанесения различных материалов в полости резиста или вытравливания областей подложки, не покрытых защитным слоем.

Источник излучения. Большинство методов перенесения рисунка с маски на подложку основано на применении проекционных схем с использованием излучения или потока частиц в качестве фактора, модифицирующего поверхность образца. Поэтому значительная часть установок нанолитографии включает в себя источник коге­рентного излучения или элементарных частиц с узким распределением по энергиям.

Маска. Для направленного воздействия на подложку также необходима система, позво­ляющая контролировать интенсивность воздей­ствия (освещенность, плотность потока частиц или прилагаемое давление) в зависимости от координаты поверхности. Обычно в качестве подобных устройств выступают «маски» -шаблоны, определяющие, какая часть подложки будет подвержена экспонированию, а какая нет. Простейшим примером такого шаблона является пластина с прорезями, выполненная из непро­зрачного для используемого излучения материала. Необходимость увеличения плотности элементов микроэлектроники на единичную площадь привела к созданию сложных систем масок и оптических устройств, позволяющих увеличить разрешающую способность.

Резист. Поскольку большинство материалов, используемых в современной микроэлектронике, малочувствительно к излучению или потоку частиц, для лучшей репликации рисунка на поверхность подложки наносят фоточувстви­тельный материал, называемый резистом. Свет взаимодействует с резистом, вызывая изменение его структуры или состава, что позволяет создать рельеф на поверхности подложки растворением экспо­нированной (или наоборот, неэкспонированной) части резиста. Таким образом, по типу влияния излучения на материал резисты делят на «позитивные» и «негативные». При использовании «позитивного» фоторезиста проявителем вымываются освещенные участки, в случае «негативного» - затемненные.

Классификация методов литографии:

• Оптическая литография,

• Электронно - лучевая литография,

• Ионно-лучевая литография,

• Печатная литография

Принципиальная

схема литографии:

- источник света;

- оптическая система, формирующая
нерасходящийся пучок;

- маска;

- оптическая фокусирующая система;

подложка с нанесенным

«позитивным» резистом.

Рис. 1.

Дата добавления: 2014-01-07