Fullerene und Nanoröhren

23.04.2007

C70 Kroto

Laser ablation

Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto Richard E. Smalley

Nobel Prize in Chemistry 1996

- Fullerene & NTs → keine zusätzliche Modifikation des Kohlenstoffs (neben Graphit und Diamant)

aber: andere Dimensionalität des Graphits!

Begründung: alle Formen mit sp2-Hybridisierung des Kohlenstoffs ↔ Graphitmodifikation

⇒ Fullerene: nulldimensional

NT: eindimensional

Graphenschichten: zweidimensional

C60

C76, Kroto C78, Kroto

Directly imaging molecules, and to unveil internal molecular structure?

(Venema et al. Sci. 83, 5398(1998)

C60 molecule

C-nano tube

?

Orientational ordering and phase transition of C60 solid

T>260 K: orientationally disordered phase: fccT<260 K: orientationally ordered phase: scT<90K: glass phase

•on surface

•2-D solid?

• bulk 3-D C60 solid

Orientational configurations of the C60 molecules on solid C60(111) surface

( Phys. Rev. B63, 85417(2001) )

EELS and LEED studies suggested a1×1 to 2×2 disorder-order transitionwith 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

Kohlenstoff Nanoröhren

zylindrisch aufgerollte Graphikschichten mit ‚Fullerenendkappen‘: ∅ ∼ 0.6 – 1.8 nm (einwandige Nanoröhren)

University of Notre Dame

Why do Carbon Nanotubes form?

Carbon Graphite (Ambient conditions)sp2 hybridization: planar

Diamond (High temperature and pressure)sp3 hybridization: cubic

Nanotube/Fullerene (certain growth conditions)sp2 + sp3 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

‚Aufrollvektor‘ (w = ‚wrapping‘)

Darstellung als Linearkombination der Basisvektoren des hexagonalen Gitters a1, a2

w = n a1 + m a2 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)

w = (n,n) ‚armchair‘ ∠ = 30°

w = (n,o) ‚zigzag‘ ∠ = 0°

∠ (0,30°) → chirale Röhren

Durchmesser

( )21

223 nmnmad cct ++Π

=

acc: Abstand zwischen benachbarten C-Atomen im flachen Graphit

( )( )nmnw += 2/3arctan∠

http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/gallery/

Herstellung

- Erzeugung von Kohlenstoff Plasma

- Chemisches Abscheiden aus der Gasphase(chemical vapor deposition CVD)

- Laserpulsen

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

- 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)

- ab 1996 Steigerung der Ausbeute an einskaligenNT: 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

- Hohes Aspektverhältnis

(Verbindung Nano-Makro)

∅ 1,4 nm, Länge ∼ mm

- Wasserstoffspeicher?

→ Ideale molekulare Drähte für nanoelektronische Bauelemente

Eigenschaften

- hochelastisches Fasermaterial

(Werkstoffverbünde)

Bsp. Tips in STM/AFM

- el. Abschirmungen (opt. Transparent, undurchl. für Frequenzen ≤ 300 GHz

- Feldemissionsspitzen

Helizität von Nanoröhren

Betrachte SWNT → zylinderförmig aufgerollte Graphen-ebenen. Je nach Art des Zusammenschlusses der Kanten →bestimmte Helizität

→Bestimmung durch Elektronenbeugung

Notation nach Hamada et al., Phys. Rev. Lett. 68, 1579 (1992)

Extreme Eigenschaften

Eigenschaft einwandige Nanoröhren zum Vergleich

Größe 0.6-1.8 nm in Durchmesser makro

Dichte 1.33-1.4 g per cm3 Al: 2.7 g per cm3

Zugfestigkeit 45 Milliarden Pascal Stallegierung ca. 2 Milliarden Pascal

Verformbarkeit super elastisch Brechen anKorngrenzen

Strombelas- ca. ein Milliarde Ampere Kuperdrähte brennenBarkeit per cm2 bei ein Million

Ampere per cm2

Feldemission 1-3 Volt für Leuchtstoffe 50 – 100 Volt

Extreme Eigenschaften

Eigenschaft einwandige Nanoröhren zum Vergleich

Wärme- bis 6000W/m.K. Reine Diamantleitung bei Raumtemperatur 3320W/m.K.

Wärme- bis 2800K in Vakuum Metalldrähte inStabilität bis 750K an Luft Mikrochips bei

600-1000K

Kosten 1500$/g Gold 10$/g

Elektronische Eigenschaften

Elektronische Eigenschaften von NT

→ 1-dim. Struktur:

⇒ Beschränkung der Bewegung längs der

‚Quantum confinemement‘

(in radialer Richtung Beschränkung auf ML Dicke in Graphenebene

Auf Umfang der NT: periodische Randbedingungen (2Π)

AchseNTk −