Nanomateriały i
nanotechnologie

Dawid Barcz IM42

Plan prezentacji

1.

Wstęp

2.

Nanomateriały

1.

Kropki kwantowe

2.

Fulereny

3.

Grafen

4.

Nanorurki

3.

Nanotechnologia

1.

Technologie wytwarzania

2.

Otrzymywanie fulerenów

1.

Aktywacja laserem

2.

Metoda elektrołukowa

3.

Metoda płomieniowa

4.

Plazma węglowa

5.

Piec słoneczny

6.

Piroliza

3.

Metody otrzymywania cienkich warstw

1.

Metoda otrzymywania cienkich warstw PACVD

2.

Epitaksja z wiązek molekularnych

3.

Metoda ablacji laserowej

4.

Literatura

Wstęp

nano – przedrostek jednostki miary o
symbolu n oznaczający mnożnik 0,000 000 001 =
10

-9

 (jedna miliardowa). Nazwa przedrostka

pochodzi z języka greckiego nanos oznacza karzeł.

Obiekt

Wielkość w [nm]

Mrówka

5000000

Średnica bakterii

1000-10000

Wirus Grypy

100

Wirus HIV

90

Długość fali

promieniowania

ultrafioletowego

10-400

Średnica spirali DNA

2,5

Wielkość cząsteczki

wody

0,3

Atom wodoru

0,1

Nanomateriały

•

wszelkie materiały, w których występują regularne
struktury na poziomie molekularnym, tj. nie
przekraczającej 100 nanometrów.

•

Nanomateriały można podzielić na następujące
trzy grupy:

•

zerowo-wymiarowe zbudowane z osnowy, w której
rozmieszczone są cząstki o wymiarach nanometrów,

•

jedno- bądź dwuwymiarowe, np. warstwy o grubości
nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego,

•

trójwymiarowe tj. złożone z krystalicznych domen i
klasterów faz o wymiarach rzędu nanometrów.

Kropki kwantowe

•

kwazizerowymiarowe,

•

bardzo dobre własności optyczne i elektryczne,

•

mogą przybierać różne kształty (kul, dysków,
kostek, piramidek)

Struktura kropki kwantowej
1 – półprzewodnikowe jądro, 2 – warstwa ochronna, 3 –
molekuły czynne

Fulereny

Nazwą „Fuleren” objęta jest cała rodzina cząsteczek
o symbolu ogólnym C

n

(gdzie n ≥ 36), w których

atomy węgla ułożone są na powierzchni bryły.

Fuleren C

60

, zwany czasem fluerytem przez analogię do grafitu,

jest odmianą alotropową węgla

Grafen

•

płaska struktura złożona z atomów węgla,
połączonych w sześciokąty,

•

kształtem przypomina plaster miodu,

•

dobre właściwości elektryczne i mechaniczne.

Nanorurki

•

struktury nadcząsteczkowe, mające postać
pustych w środku walców,

•

ścianki zbudowane są ze zwiniętego grafenu, 

•

istnieją jednak także niewęglowe nanorurki
(siarczku wolframu)

Nanotechnologia

Ogólna nazwa
całego
zestawu
technik i
sposobów
tworzenia
rozmaitych
struktur o
rozmiarach
nanometryczn
ych

Technologie wytwarzania

W nanotechnologii istnieją dwie podstawowe
filozofie wytwarzania:

•

„top-down” obejmuje: procesy mechaniczne
(mielenie, cięcie), techniki ultraprecyzyjne,
litografię.

•

„bottom-up” to: procesy chemicznej syntezy
nanomateriałów, procesy niewymuszonej
samoorganizacji, procesy wymuszonej
samoorganizacji.

Otrzymywanie fulerenów

Aktywacja laserem

Grafit odparowany był z wirującej tarczy w wyniku
aktywacji laserowej. Pary węgla ulegają
klasterowaniu w strumieniu wysokociśnieniowego
helu, a powstające struktury są analizowane
metodą spektrometrii mas.

Metoda elektrołukowa

Do najważniejszych
parametrów wpływających na
wzrost fulerenów zalicza się:

• Temperaturę łuku

• Dobór optymalnego

odstępu między
elektrodami

• Precyzyjne utrzymywanie

jego stałości w czasie
palenia łuku

Metoda płomieniowa

•

W sadzy powstającej w specyficznych warunkach
podczas spalania węglowodorów /acetylenu, bądź
benzenu/ w tlenie obecne są fulereny C

60

i C

70

oraz

ich pochodne.

•

Zalety metody – ciągłość procesu, łatwość
optymalizacji i powiększania kontroli oraz skali.
Wady – mała wydajność, trudny rozdział
produktów.

Plazma węglowa

W metodzie elektrołukowej plazma powstawała pod
wpływem wysokiej temperatury łuku i pola
elektromagnetycznego w tej metodzie próbowano
otrzymać fulereny ale z plazmy uzyskanej inną
drogą, m.in. można otrzymać fulereny w plazmie
mikrofalowej z par naftalenu (C10H8) pod
ciśnieniem atmosferycznym w atmosferze azotu i
temperaturze 4500 K. Istnieją też inne metody
wytwarzania plazmy, które przez dodanie gazu
buforującego lub podniesienie temperatury
powodują powstawanie fulerenów. Metoda ta jest
bardzo energochłonna, oraz wydajność procesu jest
niska.

Piec słoneczny

Piroliza

Polega na rozpadzie w odpowiedniej
temperaturze i z odpowiednim katalizatorem
na prostsze pierścienie penta- i
heksagonalne, które następnie mogą się
połączyć tworzyć fulereny. Wydajność tego
procesu jest niska jednak zaletą jest ciągłość
procesu.

Metody otrzymywania
cienkich warstw

•

Metoda otrzymywania cienkich warstw
PACVD (Plasma Assisted CVD),

•

Epitaksja z wiązek molekularnych (MBE –
Molecular Beam Epitaxy) jest metodą,

•

Metoda ablacji laserowej (PLD – Pulsed Laser
Deposition)

Metoda otrzymywania cienkich warstw PACVD

Epitaksja z wiązek molekularnych

MBE – Molecular Beam Epitaxy

Metoda ablacji laserowej

PLD – Pulsed Laser
Deposition

Literatura:

•

Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i
funkcjonalne, Redakcja naukowa: Krzysztof
Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska

•

Jurczyk M.: Nanomateriały. Wybrane zagadnienia.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 2001.

•

A. Huczko, Fulereny. Nobel za węglowe piłeczki. PWN
Warszawa 2000

•

http://tpc.matness.net/fizyka/fulereny/

•

L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i
metaloznawstwo, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne

•

A. Huczko, P. Byszewski, Fulereny i nanorurki
węglowe. Wyd. UW, Wrocław 1998

Dziękuję za uwagę!