Slide 1

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ
ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

C60 και ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ

ΑΛΕΞΑΚΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009
Σύμβουλος Καθηγητής: κ. ΣΩΤΗΡΙΟΣ ΒΕΣ


Slide 2

C60 και Νανοσωλήνες

-Μορφές άνθρακα και παρασκευές τους.

-Ιδιότητες C60 και νανοσωλήνων.

-Εφαρμογές.


Slide 3

-Άμορφος άνθρακας
-Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα

α) Διαμάντι

ε) Νανοσωλήνας

β) Γραφίτης

γ) Γραφένιο

δ) Φουλερένιο


Slide 4

Δομή Φουλερενίου C60
-Ανακαλύφθηκαν το 1985 στο Rice University
-Ονομάστηκαν έτσι προς τιμή του
αρχιτέκτονα Buckminster Fullerene

-Το C60 έχει δομή μπάλας ποδοσφαίρου
-Αποτελείται από 12 πεντάγωνα και 20 εξάγωνα
-Η διάμετρός του κυμαίνεται από 0,7nm – 1,5nm


Slide 5

Παρασκευή φουλερενίου
--Το 1990 αναπτύχθηκε η
συσκευή Kratcshmer και
Huffmann.
-Εισάγεται He σε πίεση 100 Torr.
Διαβιβάζουμε τάση για 10-15 sec
στα ηλεκτρόδια γραφίτη

Παράγεται σκόνη αιθάλης με 10%
από C60. (C84, C70, C120)
- Ο καθαρισμός γίνεται με
τολουόλιο

Συσκευή Kratcshmer και Huffmann


Slide 6

Νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs)
Μέθοδοι σύνθεσης CNTs
α) Εκκένωση τόξου (Arc Discharge)

Μεταξύ 2 ράβδων γραφίτη, που
απέχουν 1mm, διαβιβάζουμε
50Α – 100Α, παρουσία He.

β) Απόπλυση λέιζερ (Laser Ablation)
Μίγμα καταλύτη Co – Ni παρουσία Ar
Καθαρότητα 70%

Μειονεκτήματα: α) εξάχνωση C και
β) πολλά είδη CNTs


Slide 7


Slide 8


Slide 9

γ) Χημική εναπόθεση ατμών (CVD)
-Αποσύνθεση αερίων που
περιέχουν C.
-Πλεονέκτημα ο έλεγχος των
παραγόμενων CNTs.
Πέντε τύποι CVD

α) με H-C (900ο ) παρουσία Fe
β) HiPCO παρουσία
οργανομεταλλικών καταλυτών
(FenC, FenCO). Απόδοση Kg/day

γ) CVD-CO παρουσία Pb (1200ο )
δ) CVD με αλκοόλες (καθαροί
CNTs)
ε) PECVD (Plasma-enhanced)


Slide 10


Slide 11

Καθαρισμός – εμπλουτισμός CNTs
•
•
•

Αέρια μέθοδος
Οξέα αντιδρούν με τον άμορφο C στην κατάλληλη Τ
Υγρή μέθοδος
Οξέα αντιδρούν με τους μεταλλικούς καταλύτες (σε συνδυασμό με την αέρια)
Χρωματογραφία - Φυγοκέντρηση

Ταξινόμηση CNTs
Μέθοδοι ταξινόμησης

Τρόποι ταξινόμησης

α) Ιδιότητες (π.χ. δομή, διάμετρος)
β) Είδος δυνάμεων (π.χ. ηλεκτρικές)
γ) Τύπος μέσου (π.χ. κενό)
δ) Βαθμός διαχωρισμού (π.χ. επιλογή
ιδιοτήτων)
ε) Κλίμακα παραγωγής

α) Ηλεκτροστατική
β) Επίδραση με RN2+
γ) Επίδραση DNA σε SWCNTs
δ) Επίδραση χολικών αλάτων σε
SWCNTs


Slide 12

Δομή στερεού C60

Απόσταση κέντρων 2 γειτονικών
μορίων 10Ǻ.
Οι ανακλάσεις αντιστοιχούν σε
κυψελίδα συμμετρίας fcc με
α=14,12Ǻ.
Μόρια C60 → ενδοκεντρωμένο
κυβικό πλέγμα.


Slide 13

Ιδιότητες C60
Αγωγιμότητα - Υπεραγωγιμότητα

Εξάρτηση αγωγιμότητας Rb3C60 με την
θερμοκρασία Τ

Εξάρτηση αντίστασης των ΚxC60 με την
ποσότητα του Κ


Slide 14

Εξάρτηση αντίστασης με τη
θερμοκρασία

Φάσμα Raman C60 με Rb:
(a) ημιαγωγός (b) μονωτής


Slide 15

Ενδοφουλερένια X@C60

Διαλυτότητα
ΔΙΑΛΥΤΗΣ

ΔΙΑΛΥΤΌΤΗΤΑ

(mg/ml)

 11

Metallofullerenes → (Sn, Y, La, K, Li)
Non-metallofullerenes → (He, Ne, Ar, Kr, Xe )

Τολουόλιο

3

Βενζόλιο

1,5

Διθειάνθρακας

8

Νερό

1,3·10-11

Τοξικότητα


Slide 16

Δομή CNT
Ο CNT είναι τυλιγμένο φύλλο
γραφενίου.

Διεύθυνση περιστροφής γραφενίου
Ch = na1 + ma2
Διάμετρος CNT
d 

C

h 



3



a

cc

 m 2  nm  n 2 

Γωνία προσανατολισμού των
εξαγώνων προς τη διεύθυνση του
άξονα του CNT

  ta n  1







3m
2nm







0 o    30


Slide 17


Slide 18

ARMCHAIR (n,n) θ=30ο

ZIGZAG( n,0) θ= 0ο

CHIRAL (n,m) 0ο <θ<30ο


Slide 19

Ιδιότητες CNTs
•α) Ηλεκτρικές ιδιότητες CNTs

(n,m) καθορίζουν την chirality
και αυτή την αγωγιμότητα.
Αν (n-m) διαιρείται με το 3 ο
CNT είναι αγωγός, αν όχι
ημιαγωγός

Εξαγωνική ζώνη πρώτη Brillouin
Διάγραμμα ενεργειακών ταινιών του
γραφίτη
k τέτοιο ώστε: nλ=πd με kd=2n και
λ=2π/k


Slide 20

Σχέσεις διασποράς ενεργειακών καταστάσεων σε
σχέση με το k
E=0 Ενέργεια Fermi

a) μεταλλικός armchair b) ημιαγωγός zigzag

c) ημιαγωγός zigzag


Slide 21

β) Οπτικές ιδιότητες

D.O.S. Διαγράμματα
ασυνέχειες και υψηλές τιμές
της διηλεκτρικής συνάρτησης
ε με την ενέργεια:

ε2(ω) =

M cv



2

2



dS k
k

( E c ( k )  E ( k ))

α) Μεταλλικός SWCNT

β) Ημιαγωγός SWCNT


Slide 22

Διάγραμμα Kataura

Διάγραμμα ενεργειακών
καταστάσεων ανωμαλιών
Van Hove Eij σε συνάρτηση
της διαμέτρου των CNTs


Slide 23

Σκέδαση Raman
RBM → Συχνότητα ακτινικών
τρόπων ταλάντωσης CNT
G-Band → επίπεδες δονήσεις
2 γειτονικών ατόμων C.
(ημιαγωγός- αγωγός)
D-Band → Ελαττώματα

G/D → ποσοτικοποίηση της
ποιότητας
G΄ → Ύπαρξη ατέλειας στη
δομή CNT

SWCNT


Slide 24

γ) Μηχανικές ιδιότητες

SWCNTs
Ελαστικότητα: 2,8 TPa – 3,6 TPa
Αντοχή στην έλξη: 320 GPa –1470 GPa
MWCNTs
Ελαστικότητα: 1,7 TPa – 3,6 TPa
Αντοχή στην έλξη: 270 GPa – 950 GPa

Y=

1
V eq

 E
2

(



2

) 0


Slide 25

Εφελκυσμός

Φάσεις προσομοίωσης επιμήκυνσης SWCNT

Στερεό υλικό

Δέσμη


Slide 26

Φάσεις αυξανόμενης συμπίεσης

Φωτογραφία SWCNT

Στρέψη

Φωτογραφία SWCNT

Στρέψη και συμπίεση


Slide 27

δ) Θερμική αγωγιμότητα

Θερμική αγωγιμότητα → βαλλιστική αγωγιμότητα

Αγωγιμότητα- θερμοκρασία

Αγωγιμότητα – μήκος, για (5,5) SWCNT με α=0,25


Slide 28

ε) Χημικές ιδιότητες
- Έχουν μεγαλύτερη δραστικότητα από γραφένιο λόγω σχήματος
- Υδροφοβικοί

στ) Τοξικότητα
CNTs
Επίδραση CNT σε
κύτταρα μετά από 8
και 12 εβδομάδες

ζ) Ατέλειες
Μειώνουν τις
ηλεκτρικές και
θερμικές ιδιότητες

a) Χωρίς ατέλεια

b) Μία ατέλεια

c) Δύο γειτονικές ατέλειες


Slide 29

Εφαρμογές C60 και CNTs
α) Οργανικά φωτοβολταϊκά
C60 → n-τύπου ημιαγωγός (δέκτης)
C60 και C70
Απόδοση 5% - 5,4%. Του Si ~10%

β) Αποθήκευση υδρογόνου


Slide 30

γ) Ιατρικές εφαρμογές
-Trimetasphere C60

-Αντιαλεργική δράση
-Μεταφορείς φαρμάκων

δ) Νανο-οχήματα
Σασί → phenylene ethylene
Τροχοί → C60


Slide 31


Slide 32

ε) Δέσμευση HIV-1 πρωτεάση από C60

στ) Φίλτρα νερού με C60
Τα C60 εμποδίζουν την
αναπνοή βακτηρίων στα
φίλτρα νερού


Slide 33

Εφαρμογές CNTs
α) Νανοσωλήνες στην ηλεκτρονική
Οι SWCNTs έχουν 1μm μέση ελεύθερη
διαδρομη e-. Σχεδόν βαλλιστική
ηλεκτρονική μεταφορά. Φάσμα
συχνοτήτων της τάξης των GHz.

Lithium

β) Ενεργειακές εφαρμογές
i) Μπαταρία Li-ion με CNT

Carbontube


Slide 34

ii) Υπερπυκνωτής MWCNTs - Au

a) b) c) Νανοκαλώδια
CNT/Au
d) Ένωση CNT/Au με
πάχος ~ 15nm


Slide 35

iii) Φωτοβολταϊκά με CNTs


Slide 36

γ) Μηχανικές εφαρμογές
-3D-νανοϋλικό
Ηλεκτρικές – Χημικές Ιδιότητες
Μελλοντική εφαρμογή σε διαστημόπλοια

Νανομηχανές
Μήκος 500nm


Slide 37

Διαστημικός ανελκυστήρας
Καλώδιο μήκους ~ 50.000 Km και
πλάτους 1.5 m


Slide 38


Slide 39


Slide 40

δ) Χημικές εφαρμογές CNTs

Δεσμεύουν ιούς,
βακτήρια, χλωριούχα
άλατα
Χρήση στην αφαλάτωση
θαλασσινού νερού

Buckypaper


Slide 41

Άλλες μορφές άνθρακα
Nanobud
Ιδιότητες μηχανικές
και ηλεκτρικές ως
CNT και χημικές ως
C60

Νανοαφρός
Μήκος 6 nm.
4000 άτομα C


Slide 42

Ανόργανοι νανοσωλήνες – Ανόργανες δομές φουλερενίων

WS2, MoS2, BN, H2Ti3O7 V2O5


Slide 43

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Φουλερένια
•
•
•

οι ηλεκτρικές ιδιότητες αναμένεται να έχουν μεγάλη εφαρμογή σε βιομηχανικό
επίπεδο
Η δυνατότητα μεταφοράς στο εσωτερικό τους ατόμων αλλά και φαρμάκων
υπόσχεται πολλά στην χημική και ιατρική επιστήμη
Αποθήκη υδρογόνου. Περιβαντολογικό όφελος

Νανοσωλήνες
•
•
•
•

Ισχυρότερο υλικό με τέτοια αναλογία μήκους- διαμέτρου
Αγωγός-ημιαγωγός
Βαλλιστική θερμική συμπεριφορά
Τοξικότητα

Κόστος
Φουλερένια 2,3$/g έως 376$/g
Νανοσωλήνες MWCNTs από 5 €/g έως 10 €/g
DWCNTs περίπου 25 €/g
SWCNTs από 25€/g έως 200€/g,


Slide 44

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή μου
κύριο Σωτήριο Βε, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε
αναθέτοντάς μου αυτή την εργασία, για την καθοδήγησή του καθ’
όλη τη διάρκειά της και κυρίως για την ευκαιρία που μου έδωσε να
ασχοληθώ με ένα ενδιαφέρον και νέο αντικείμενο της φυσικής
επιστήμης.