Фуллерены

Фуллерены как материал для литографии. Благодаря способ­ности полимеризоваться под действием лазерного или электронно­го луча и образовывать при этом нерастворимую в органических растворителях фазу перспективно их применение в качестве резиста для субмикронной литографии. Фуллереновые пленки при этом выдерживают значительный нагрев, не загрязняют подложку, допускают сухое проявление.

Фуллерены как новые материалы для нелинейной оптики. Фуллеренсодержащие материалы (растворы, полимеры, жидкие сильно нелинейных оптических свойств перспективны для приме­нения в качестве оптических ограничителей (ослабителей) ин­тенсивного лазерного излучения; фоторефрактивных сред для за­писи динамических голограмм; частотных преобразователей; ус­тройств фазового сопряжения.

Наиболее изученной областью является создание оптических ограничителей мощности на основе растворов и твердых раство­ров С60. Эффект нелинейного ограничения пропускания начинает­ся примерно с 0.2 — 0.5 Дж/см^2, уровень насыщенного оптического пропускания соответствует 0.1 — 0.12 Дж/см2. При увеличении концентрации в растворе уровень ограничения плотности энергии снижается. Например, при длине пути в образце 10 мм (коллимированный пучок) и концентрациях раствора С60 в толуоле 1*10^-4, 1.65*10^-4 и 3.3*10^-4 М насыщенное пропускание оптического ог­раничителя оказывалось равным 320, 165 и 45 мДж/см2 соответст­венно. Показано, что на длине волны 532 нм при различной длительности импульса т (500 фс, 5 пс, 10 не) нелинейно-опти­ческое ограничение проявляется при плотности энергии 2, 9 и 60 мДж/см^2. При больших плотностях вводимой энергии (более 20 Дж/см^2) дополнительно к эффекту нелинейного насыщенного поглощения с возбужденного уровня наблюдается дефокусировка пучка в образце, связанная с нелинейным поглощением, повыше­нием температуры образца и изменением показателя преломления в области прохождения пучка. Для высших фуллеренов граница спектров поглощения сдвигается в область больших длин волн, что позволяет получить оптическое ограничение на л = 1.064 мкм.

Для создания твердотельного оптического ограничителя сущест­венной является возможность введения фуллеренов в твердотель­ную матрицу при сохранении молекулы как целого и образовании гомогенного твердого раствора. Необходим также подбор матри­цы, обладающей высокой лучевой стойкостью, хорошей прозрач­ностью и высоким оптическим качеством. В качестве твердотель­ных матриц применяются полимеры и стеклообразные материалы. Сообщается об успешном приготовлении твердого раствора С60 в SiO2 на основе использования золь-гель-технологии. Образцы имели оптическое ограничение на уровне 2—3 мДж/см^2 и порог разрушения более 1 Дж/сv^2. Описан также оптический ограничи­тель на полистирольной матрице и показано, что в этом случае эффект оптического ограничения в 5 раз лучше, чем для С60 в растворе. При введении фуллеренов в лазерные фосфатные стекла показано, что фуллерены С60, и С70 в стеклах не разрушаются и механическая прочность допированных фуллеренами стекол ока­зывается выше, чем чистых.

Интересным применением нелинейно-оптического ограниче­ния мощности излучения является использование фуллеренов в резонаторе лазеров для подавления пичкового режима при само­синхронизации мод. Высокая спепень нелинейности среды с фул­леренами может быть использована в качестве бистабильного элемента для сжатия импульса в наносекундной области длитель­ностей.

Наличие в электронной структуре фуллеренов пи-электронных систем приводит, как известно, к большой величине нелинейной восприимчивости, что предполагает возможность создания эффек­тивных генераторов третьей оптической гармоники. Наличие не­нулевых компонент тензора нелинейной восприимчивости х(3) является необходимым условием для осуществления процесса ге­нерации третьей гармоники, но для его практического использова­ния с эффективностью, составляющей десятки процентов, необхо­димо наличие фазового синхронизма в среде. Эффективная генерация

может быть получена в слоистых структурах с квазисинхронизмом взаимодействующих волн. Слои, содержащие фуллерен, должны иметь толщину, равную когерент­ной длине взаимодействия, а разделяющие их слои с практически нулевой кубичной восприимчивостью — толщину, обеспечиваю­щую сдвиг фазы на пи между излучением основной частоты и третьей гармоники.

Фуллерены как новые полупроводниковые и наноконструкционные материалы. Фуллериты как полупроводники с запрещенной зоной порядка 2 эВ можно использовать для создания  полевого транзистора, фотовольтаических приборов, солнечных  батарей, и примеры такого использования есть. Однако они вряд ли могут соперничать по параметрам с обычными приборами с развитой технологией на основе Si или GaAs. Гораздо более пер­спективным является использование фуллереновой молекулы как готового наноразмерного объекта для создания приборов и устройств наноэлектроники на новых физических принципах.

Молекулу фуллерена, например, можно размещать на поверх­ности подложки заданным образом, используя сканирующий туннельный (СТМ) или атомный силовой (АСМ) микроскоп, и использовать это как способ записи информации. Для считывания информации используется сканирование поверхности тем же зон­дом. При этом 1 бит информации — это наличие или отсутствие молекулы диаметром 0.7 нм, что позволяет достичь рекордной плотности записи информации. Такие эксперименты проводятся на фирме «Bell». Интересны для перспективных устройств памяти  и эндоэдральные комплексы редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний, диспрозий, обладающих большими магнит­ными моментами. Фуллерен, внутри которого находится такой атом, должен обладать свойствами магнитного диполя, ориента­цией которого можно управлять внешним магнитным полем. Эти комплексы ( в виде субмонослойной пленки) могут служить осно­вой магнитной запоминающей среды с плотностью записи до 10^12 бит/см^2 (для сравнения оптические диски позволяют достичь поверхностной плотности записи 10^8 бит/ см^2).


Рисунок 12. Принципиальная схема одномолекулярного транзистора на молекуле С60.

 

Были разработаны физические принципы создания ана­лога транзистора на одной молекуле фуллерена, который может слу­жить усилителем наноамперного диапазона (рис. 12). Два точеч­ных наноконтакта расположены на расстоянии порядка 1—5 нм по одну сторону молекулы С60. Один из электродов является исто­ком, другой играет роль стока. Третий электрод (сетка) представ­ляет собой маленький пьезоэлектрический кристалл и подводится на ван-дер-ваальсово расстояние по другую сторону молекулы. Входной сигнал подается на пьезоэлемент (острие), деформирую­щий молекулу, расположенную между электродами — истоком и стоком, и модулирует проводимость интрамолекулярного перехо­да. Прозрачность молекулярного канала токопротекания зависит от степени размытия волновых функций металла в области фуллереновой молекулы. Простая модель этого транзисторного эффек­та — это туннельный барьер, высота которого модулируется неза­висимо от его ширины, т. е. молекула С60 используется как при­родный туннельный барьер. Предполагаемые преимущества такого элемента — малые размеры и очень короткое время пролета элек­тронов в туннельном режиме по сравнению с баллистическим слу­чаем, следовательно более высокое быстродействие активного эле­мента. Рассматривается возможность интеграции, т. е. создания более чем одного активного элемента на молекулу С60.

Углеродные наночастицы и нанотрубки.

Вслед за открытием фуллеренов С60 и С70 при ис­следовании продуктов, получаемых при сгорании графита в электрической дуге или мощном лазер­ном луче, были обнаружены частицы, состоящие из атомов углерода, имеющие правильную форму и размеры от десятков до сотен нанометров и поэтому получившие название кроме фуллеренов еще и наночастиц.

Возникает вопрос, почему так долго не могли открыть фуллерены, получающиеся из такого рас­пространенного материала, как графит? Существу­ют две основные причины: во-первых, ковалентная связь атомов углерода очень прочная: чтобы ее ра­зорвать, необходимы температуры выше 4000°С; во-вторых, для их обнаружения требуется очень сложная аппаратура - просвечивающие электрон­ные микроскопы с высоким разрешением. Как те­перь известно, наночастицы могут иметь самые причудливые формы. Были представлены различные углеродные образования в виде изве­стных форм. С практической точки зрения для наноэлектроники, которая приходит сейчас на смену микроэлек­тронике, наибольший интерес представляют нанотрубы. Эти углеродные образования были открыты в 1991 году японским ученым С. Иджима. Нанотрубы представляют собой конечные графитовые пло­скости, свернутые в виде цилиндра, они могут быть с открытыми концами или с закрытыми. Эти обра­зования интересны и с чисто научной точки зрения, как модель одномерных структур. Действительно, в настоящее время обнаружены однослойные нанотрубы диаметром 9 А (0,9 нм). На боковой поверх­ности атомы углерода, как и в графитовой плоско­сти, располагаются в узлах шестиугольников, но в чашках, которые закрывают цилиндры с торцов, могут существовать и пятиугольники и треугольни­ки. Чаще всего нанотрубы формируются в виде ко­аксиальных цилиндров.

Основной трудностью при исследовании свойств нанотрубных образований является то, что в насто­ящее время их не удается получить в макроскопиче­ских количествах так, чтобы аксиальные оси труб были сонаправлены. Как уже отмечалось, нанотрубы малого диамет­ра служат прекрасной моделью для исследований особенностей одномерных структур. Можно ожи­дать, что нанотрубы, подобно графиту, хорошо про­водят электрический ток и, возможно, являются сверхпроводниками. Исследования в этих направ­лениях — дело ближайшего будущего.







9. Заключение.


Тот факт, что фуллерены обнаружены в естест­венных минералах, имеет большое значение для нау­ки о Земле. Не исключено, что ряд неидентифицированных полос в спектрах оптического поглощения и рассеяния межзвездной пыли обусловлен фуллеренами. Еще в 60-х годах на основании теоретического анализа частот этих полос было высказано предпо­ложение о том, что они обусловлены углеродными частицами. Возможно, фуллерены помогут нам по­лучить дополнительные сведения о возникновении и эволюции Вселенной.

Что касается практической деятельности чело­века, то здесь полезны способности фуллерена из­менять свои свойства при легировании от диэлект­рических до сверхпроводящих и от диамагнетизма до ферромагнетизма. Относительно простая техно­логия получения фуллеритов с различными свой­ствами позволяет надеяться на создание в скором времени квантоворазмерных структур с чередую­щимися слоями сверхпроводник - полупроводник (или диэлектрик), металл — ферромагнетик, сверх­проводник - магнетик и т.д. Возможно, такие структуры станут основой создания новых элек­тронных приборов. Активные исследования твер­дых фуллеренов ведутся только пять лет. Многое еще не исследовано, и сейчас трудно предсказать все возможные применения этого необычного ма­териала в практической деятельности.




























Список используемой литературы:

1. «Фуллерены. Их физические и электрические свойства», СПб, 1999 год.


2. ст. В.Ф. Мастеров «Физические свойства фуллеренов», Соровский образовательный журнал №1, 1997 год.



Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать