Fullerene und Nanoröhren

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Benedict Reuter
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1 Fullerene und Nanoröhren

2 C70 Kroto

4 Laser ablation

6 Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley Nobel Prize in Chemistry 1996

9 - Fullerene & NTs keine zusätzliche Modifikation des Kohlenstoffs (neben Graphit und Diamant) aber: andere Dimensionalität des Graphits! Begründung: alle Formen mit sp 2 -Hybridisierung des Kohlenstoffs Graphitmodifikation Fullerene: nulldimensional NT: Graphenschichten: eindimensional zweidimensional

10 C60 C76, Kroto C78, Kroto

11 Directly imaging molecules, and to unveil internal molecular structure? C-nano tube (Venema et al. Sci. 83, 5398(1998) C 60 molecule?

12 Orientational ordering and phase transition of C60 solid bulk 3-D C60 solid T>260 K: orientationally disordered phase: fcc T<260 K: orientationally ordered phase: sc T<90K: glass phase on surface 2-D solid?

13 Orientational configurations of the C60 molecules on solid C60(111) surface ( Phys. Rev. B63, 85417(2001) ) EELS and LEED studies suggested a 1 1 to 2 2 disorder-order transition with Tc=230K (a) Empty state STM image on the C60 island surface. (2x2) superlattice can clearly be resolved. (b) The line profile along the direction of the base vector a indicates

14 Kohlenstoff Nanoröhren zylindrisch aufgerollte Graphikschichten mit Fullerenendkappen : nm (einwandige Nanoröhren)

planar Diamond (High temperature and pressure) sp 3

conditions) sp 2 + sp 3 character: cylindrical Finite size

These dangling bonds correspond to high energy states.

17 Why do Carbon Nanotubes form? Carbon Graphite (Ambient conditions) sp 2 hybridization: planar Diamond (High temperature and pressure) sp 3 hybridization: cubic Nanotube/Fullerene (certain growth conditions) sp 2 + sp 3 character: cylindrical Finite size of graphene layer has dangling bonds. These dangling bonds correspond to high energy states. Eliminates dangling bonds Nanotube formation + Total Energy Increases Strain Energy decreases University of Notre Dame

18 Aufrollvektor (w = wrapping ) Darstellung als Linearkombination der Basisvektoren des hexagonalen Gitters a 1, a 2 w = n a 1 + m a 2 n, m N, 0 m n Vorgehen: Aufrollen der C-Ebene, so daß P über Ursprung 0 liegt (unter der Randbedingung, daß Zylinder entsteht). Möglichkeit, die Enden aus der Ebene heraus oder hinein aufzuwickeln, führt zu spiegelbildlichen, chiralen Röhren, i.a. verschieden. Nur für (n,n) oder (n,o) als Aufrollvektor Übereinstimmung des Originals mit dem Spiegelbild (somit nicht chiral)

19 w = (n,n) armchair = 30 w = (n,o) zigzag = 0 (0,30 ) chirale Röhren Durchmesser d 3 Π a 1 ( 2 2 m + mn n ) 2 t = cc + a cc : Abstand zwischen benachbarten C-Atomen im flachen Graphit ( 3n /( m n) ) w = arctan 2 +

22 Herstellung - Erzeugung von Kohlenstoff Plasma - Chemisches Abscheiden aus der Gasphase (chemical vapor deposition CVD) - Laserpulsen

23 Entwicklung erstmals 1991 S. Iijima (NEC, Tsukuba) in Ablagerungen der neg. Elektrode einer Lichtbogenanordnung zur Fullerensynthese (Krätschmer-Generator), Lit: S. Iijima, Nature 354, 56 (1991) Untersuchungsmethode: TEM

24 - Befund: koaxial ineinander geschachtelte Schalen (Multiwall NT = MNT) typisch: 2 50 Schalen später: 1-schalige NT bei Anwesenheit katalytischer Systeme (Eisen, Kobalt) (Co-Verdampfung) - Steigerung der Ausbeute durch Optimierung der Reaktionsbedingungen Lit: Ebbesen & Ajayan, Nature 358, 220 (1992)

25 - ab 1996 Steigerung der Ausbeute an einskaligen NT: Laserbeschuß von Kohlenstoff-Nickel-Kobalt Mischungen im Ofen bei 1200 C. Lit.: A. Thess et al., Science 273, 483 (1996) - Trennung durch Größenausschluß-Chromatographie - zukünftig: Wachstum von NT durch katalyt. Zersetzung von Kohlenwasserstoffen

27 Eigenschaften Ideale molekulare Drähte für nanoelektronische Bauelemente - Hohes Aspektverhältnis (Verbindung Nano-Makro) 1,4 nm, Länge mm - Wasserstoffspeicher?

28 - hochelastisches Fasermaterial (Werkstoffverbünde) Bsp. Tips in STM/AFM - el. Abschirmungen (opt. Transparent, undurchl. für Frequenzen 300 GHz - Feldemissionsspitzen

29 Helizität von Nanoröhren Betrachte SWNT zylinderförmig aufgerollte Graphenebenen. Je nach Art des Zusammenschlusses der Kanten bestimmte Helizität Bestimmung durch Elektronenbeugung Notation nach Hamada et al., Phys. Rev. Lett. 68, 1579 (1992)

30 Extreme Eigenschaften Eigenschaft einwandige Nanoröhren zum Vergleich Größe nm in Durchmesser makro Dichte g per cm 3 Al: 2.7 g per cm 3 Zugfestigkeit 45 Milliarden Pascal Stallegierung ca. 2 Milliarden Pascal Verformbarkeit super elastisch Brechen an Korngrenzen Strombelas- ca. ein Milliarde Ampere Kuperdrähte brennen Barkeit per cm 2 bei ein Million Ampere per cm 2 Feldemission 1-3 Volt für Leuchtstoffe Volt

31 Extreme Eigenschaften Eigenschaft einwandige Nanoröhren zum Vergleich Wärme- bis 6000W/m.K. Reine Diamant leitung bei Raumtemperatur 3320W/m.K. Wärme- bis 2800K in Vakuum Metalldrähte in Stabilität bis 750K an Luft Mikrochips bei K Kosten 1500$/g Gold 10$/g

32 Elektronische Eigenschaften

33 Elektronische Eigenschaften von NT 1-dim. Struktur: Beschränkung der Bewegung längs der k NT Achse Quantum confinemement (in radialer Richtung Beschränkung auf ML Dicke in Graphenebene Auf Umfang der NT: periodische Randbedingungen (2Π)

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