Anwendungsgebiete von Kohlenstoffnanoröhrchen. Vortrag zur Vorlesung Nanostrukturphysik im WS 2010/11 Olivier Gauthier

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1 Vortrag zur Vorlesung Nanostrukturphysik im WS 2010/11 Olivier Gauthier

2 Inhalt Eigenschaften von CNTs Kompositmaterialien Feldemitter Sonden Lautsprecher Elektronische Anwendungen Weitere Anwendungsgebiete Marktvolumen

3 Charakterisierung und Eigenschaften Durchmesser: ~ 1-50 nm Länge: μm mm (cm) Je nach Konfiguration halbleitend oder metallisch Hohe Stromdichten: 10 9 A/cm 2 Ballistische elektrische Leitung bis μm Keine Elektromigration Spezifische Wärmeleitfähigkeit 3mal höher als Diamant Volumenausdehnung bei angelegter Spannung

4 Elektrisch leitfähige Polymerkomposite Leitfähigkeit bei Erreichen der Perkolationsgrenze Bisher hauptsächlich Carbon Black (Industrieruß) Anteil 10% Mit CNTs zwischen 0,004% und 0,01% (große Länge/kleiner Radius, hohe Leitfähigkeit) mechanische Eigenschaften bleiben erhalten, verbesserte Oberflächenbeschaffenheiten [Tech79]

5 Elektrisch leitfähige Polymerkomposite Anwendungsbeispiele: (Quelle: Ford, Nissan, Adpic) Kunstoffteile mit CNTs erleichtern die elektrostatische Lackierung. Vermeidung elektrostatischer Aufladung in Benzinschläuchen und filtern. Vermeidung elektrostatischer Aufladung und geringer Abrieb.

6 Transparente Polymerkomponenten (Quelle: Hanwah Nanotech) Verwendung von CNTs als transparente, leitfähige und flexible Schicht für zukünftige biegsame Displays. Bisheriges Material, Indium-Zinnoxid (ITO), nur bedingt geeignet brüchig und schwierig in Kunstoffmatrix einzubetten.

7 Mechanisch verstärkte Polymerkristalle Hohe mechanische Belastung bei geringem Gewicht (Quelle: BMC)

8 Mechanisch verstärkte Polymerkomposite Eines der ersten Massenprodukte welches CNTs enthält: CNT-verstärkter Tennisschläger: Einheiten (Quelle: Völkl) Weitere Anwendungen im Sport: Skier, Hockeyschläger, Fahrradhelme,

9 CNT-Fasern Fasern aus geflochtenen oder einzelnen CNTs Neues Verfahren ermöglicht mehrere 100m lange Fäden Zugfestigkeit von 1,8 GPa Bruchenergie 600 J/g (Kevlar 33 J/g) Bisher: Low Volume, High Value - Bereich (Quelle: [Zhang, 2004])

10 Feldemitter Austritt von Leitungselektronen wird mittels starker elektrischer Felder erzwungen. Bisher erreicht durch Verwendung von möglichst schmalen Spitzen. Bsp. Wolframdraht mit ~100 Aufgedampften Spitzen. Problem der Elektromigration geringe Operationsstabilität

11 CNT - Feldemitter Vorzüge: Niedrige Schwellspannung Gute Emissionsstabilität Lange Lebensdauer keine Elektromigration Hohe Elektronenstromdichten (Quelle: [Jon04]) Anwendungen: Elektronenmikroskope, Lithographiegeräte, Röntgenquellen, Beleuchtungselemente, Mikrowellengeneratoren und Feldemissions-Displays (FED)

12 Feldemitter-Bildschirme (FED) Eigenschaften der FEDs: Großer Betrachtungswinkel Gute Farb-/Bildqualität Hohe Energieeffizienz Schnelle Bildwiedergabe Keine Hintergrundbeleuchtung (Backlight Unit BLU) notwendig Nachteil bisher: kurze Lebensdauer wegen Elektromigration (Spindt-Tip)

13 CNT FED Samsung FED 1999 Ise Electronics 2002 Sony FED 2007 Neben bisherigen Vorteilen von FEDs, jetzt: Höhere Emitterdichten ( pro cm 2 ) Temperaturstabil Stabiler Langzeitbetrieb (keine Elektromigration)

14 Hintergrundbeleuchtung für Displays (CNT BLUs) 50% der Herstellungskosten eines Displays entfallen auf die BLU Einsparung von 2/3 der Kosten einer BLU LCD Display mit CNT-BLU, Samsung mal besseres Kontrastvermögen (vgl. CCFL) 3mal schnellere Reaktionszeiten Problem: Vakuumversieglung notwendig Samsung plant Marktreife für 2011

15 Röntgenröhren Im Gegensatz zu bisherigen thermionischer Elektronenquellen bieten CNT-Kaltemitter viele Vorteile: xintek.com Bessere Bildauflösung Kaltemission Miniaturisierung Höhere Stromdichten möglich Niedriger Energieverbrauch Längere Ansprechzeiten (Quelle: [Sar04])

16 Röntgenröhren CheMin Tragbares Röntgenspektrometer Gesamtgewicht: 15kg (Quelle: [Sar05]) Soll im November 2011 als Bordinstrument Richtung Mars starten und Bodenexperimente durchführen (Quelle: NASA)

17 Sonden AFM STM (Quelle: Nanoscience Instruments) Höhere Auflösung robuster gegen Kollisionen Aufnahme auch in engen Vertiefungen des Substrats chemisch modifizierbar (Quelle: Carbon Design Innovations)

18 CNT Lautsprecher Dünner Film von CNTs kann durch Anlegen einer Audio-Frequenz als Lautsprecher benutzt werden. (Quelle: L. Xiao et al., Nano Lett.) Basiert auf thermoakustischen Effekt: Wechselstrom thermische Oszillationen des Materials Druckwellen Ton

19 CNT Lautsprecher Flexibel: als Folie auf einer Flagge im Wind Dehnbar: Streckung auf 200% seiner Länge ohne Klangänderung (Quelle: L. Xiao et al., Nano Lett.)

20 CNT Lautsprecher Transparent: zu 80% z.b. Lautsprecherfolie auf Display Funktioniert weiter auch bei Defekten (Löcher, Risse) 3D-Klang möglich durch Aufrollen der Folie Nicht magnetisch (Quelle: L. Xiao et al., Nano Lett.)

21 Anwendungen in der Elektronik Transport von Abwärme Vias/Interconnects Feldeffekttransistor Leistungstransistor Dioden? Opto-Elektronik NRAM

22 Transport von Abwärme Bedingt durch große Dichte heutiger elektronischer Bauelemente Erzeugung großer Menge an Wärme CNT sind gut wärmeleitfähig Messung mit einer dünnen Schicht CNTs zwischen Chip und Kühler ergab eine Erhöhung der Temperatur in der Schicht von nur 5 C sehr effektive Kühlung. Marktdurchdringung in Kürze erwartet. (Quelle: Arctic Cooling)

23 Vias Vias : Kontaktbrücke innerhalb integrierter Schaltkreise Kupferdrähte stoßen bei zunehmender Miniaturisierung ihre Grenzen. Verformungen aufgrund der Hitzeentwicklung Elektromigration ab Stromdichten oberhalb von Elektronentransport in CNTs ballistisch. Strombelastbarkeit um Faktor 1000 höher A/cm 2

24 Vias - Schwierigkeiten Verfahren erfordert punktgenaue Positionierung und Herstellung der CNT. Hoher Kontaktwiderstand Kontaktstellen zwischen elektrischen Leiterbahnen und SWNTs weisen Widerstand von mindestens 6,5 kω auf. (Quelle: ENS 2006)

25 CNT-Elektronik Dioden Feldeffekttransistor Lawrence Berkeley National Laboratories CNTs mit einem Knick sind mit Chiralitätswechsel verbunden. Wechsel von metallisch zu halbleitend innerhalb eines CNT. Schottky-Diode. Infineon Nanoröhren-Transistor mit nur 18nm Kanallänge. (Prototyp) CNT wurde kontrolliert zwischen Drain Und Source wachsen lassen. Stromdichten um Faktor 10 besser als bei Silizium-Werkstoffen.

26 CNT-Elektronik: Datenspeicher NRAM CNT-Teleskop-Speicher [Sti05] Streckung/Kontraktion des CNT mittels angelegter Spannung. Zustand auch nach Abschalten der Spannung erhalten nicht flüchtig. [Kang, 2007] Anwendung für Doppelwand-NT: Äußeres Rohr fixiert, inneres kann Mittels angelegter Spannung Verschoben werden. nicht flüchtig Speicher.

27 Elektrochemische Anwendungen Aktoren Papierbatterie Mai Zhang Konversion elektrischer in mechanische Energie mittels gesteuerter Materialausdehnung Robotik, künstliche Muskeln, Mikropumpen, Rensselaer-Institut Zellulose (90%) mit CNTs und ionischer Flüssigkeit als Elektrolyten zwischen CNT und Li-Elektrode. biegsame, flache Stromquelle

28 Weitere Anwendungsgebiete Biomedizinische Anwendungen Delivery Systeme Gerüst für neurale Implantate Sensoren Thermische Sensoren Optische Sensoren Gassensoren Biosensoren / Genanalytik Brennstoffzellen [Kam, 2005a] NEC

29 Marktvolumen (Quelle: Meta-Roadmap Nanomaterialien VDI, 2009) (Quelle: [Tech79])

30 Quellen Physics of carbon nanotube electronic devices, by M P Anantram and F Leonard 2006 [Tech79] CNT- Technologieanalyse Band 79, VDI Technologiezentrum, 2009 Meta-Roadmap Nanomaterialien, VDI Technologiezentrum, 2009 NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No Fraunhofer IPA, Carbon Nanotubes in Tennisschläger-Großproduktion [Zhang, 2004] Zhang, M.,Science, 306, (2004) [Jon04] de Jonge N, 2004 Appl. Phys. Lett [Sar04] Sarrazin P, 2004 Adv. X-Ray Anal

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!