VANTAs

Vertikálne usporiadané polia uhlíkových nanorúrok (VANTA) sú jedinečnou mikroštruktúrou pozostávajúcou z uhlíkových nanorúrok orientovaných pozdĺžnou osou kolmo na povrch substrátu. Tieto VANTA účinne zachovávajú a často zvýrazňujú jedinečné anizotropné vlastnosti jednotlivých uhlíkových nanorúrok a majú morfológiu, ktorú možno presne kontrolovať. VANTA sú preto široko využiteľné v celom rade súčasných a potenciálnych aplikácií zariadení.

Syntéza

Existuje niekoľko experimentálnych technológií na usporiadanie jednotlivých CNT alebo sústavy CNT podľa vopred určenej orientácie. Tieto techniky sa spoliehajú na rôzne mechanizmy, a preto sú použiteľné v rôznych situáciách. Tieto techniky sú rozdelené do dvoch skupín podľa toho, kedy sa zarovnanie dosiahne: a) techniky in-situ, pri ktorých sa zarovnanie dosiahne počas procesu rastu CNT, a b) techniky ex-situ, pri ktorých sa CNT pôvodne pestujú v náhodných orientáciách a zarovnanie sa dosiahne neskôr, napríklad počas procesu integrácie zariadenia.

Termické chemické naparovanie

Mechanizmus rastu

Termické chemické naparovanie je bežná technika na pestovanie zarovnaných polí CNT. V procese CVD sa horúci plyn rozkladá, *zostávajúci uhlík difunduje do častíc katalyzátora alebo okolo nich* a potom sa na jednej kryštalografickej strane katalyzátora vytvorí zárodok bočnej steny grafitovej nanorúrky. Priemer katalyzátora priamo ovplyvňuje priemer vyrastených nanorúrok. Existujú dva základné rastové modely pre CVD rast VANTA: "model rastu na hrote" a "model rastu na báze". V prípade modelu "tip-growth" sa uhľovodík rozkladá na hornom povrchu kovu, uhlík difunduje dole kovom a CNT sa vyzrážajú cez spodnú časť kovu, čím sa celá kovová častica odtláča od substrátu a pokračuje v raste, až kým kov nie je úplne pokrytý prebytočným uhlíkom a jeho katalytická aktivita sa nezastaví. V prípade modelu rastu na báze prebieha počiatočný rozklad uhľovodíka a difúzia uhlíka podobne ako v prípade rastu na špičke, ale zrážanie CNT vychádza z vrcholu kovovej častice a vytvára polguľovú kupolu, ktorá sa potom rozširuje nahor v podobe bezproblémového grafitového valca. Následný rozklad uhľovodíka prebieha na spodnom obvodovom povrchu kovu a rozpustený uhlík difunduje smerom nahor. Väčšina procesov tepelnej CVD pestuje nanorúrky metódou koreňového alebo základného rastu. Morfológiu jednotlivých CNT aj sústavy CNT určujú rôzne parametre rastu CVD, ktoré možno nastaviť tak, aby sa získali vertikálne usporiadané sústavy CNT s rôznou štruktúrou.

Katalyzátor

Katalyzátor umožňuje pyrolýzu uhlíka a následný rast VANTA. Katalyzátormi sú zvyčajne kovy, ktoré majú vysokú rozpustnosť uhlíka pri vysokých teplotách a ktoré vykazujú vysokú rýchlosť difúzie uhlíka, napríklad železo (Fe), kobalt (Co) a nikel (Ni). Uvádza sa, že aj iné prechodné kovy, ako napríklad meď (Cu), zlato (Au), striebro (Ag), platina (Pt) a paládium (Pd), katalyzujú rast CNT z rôznych uhľovodíkov, ale majú nižšiu rozpustnosť uhlíka a následne nižšiu rýchlosť rastu. Bežnými katalyzátormi sú aj pevné organokatalocény, ako sú ferocén, kobaltocén, nikelocén. Zistilo sa, že teplota a čas tepelných a redukčných krokov predúpravy katalyzátora sú rozhodujúcimi premennými pre optimalizované rozloženie nanočastíc s rôznymi priemernými priemermi v závislosti od počiatočnej hrúbky filmu. Pri raste CNT pomocou CVD sa používa rozprašovaný tenký film katalyzátora (napr. 1 nm Fe). Počas zahrievania sa film rozmáča a vytvára ostrovčeky železa, ktoré potom vytvárajú nanorúrky. Keďže železo je pohyblivé, ostrovčeky sa môžu spojiť, ak sa ponechajú príliš dlho pri rastovej teplote pred začatím rastu nanorúrok. Žíhanie pri rastovej teplote znižuje hustotu miest #/mm2 a zvyšuje priemer nanorúrok. Keď nanorúrky rastú z ostrovčekov katalyzátora, efekt zhlukovania a van der Waalsove sily medzi ostatnými CNT im nedávajú možnosť rásť iným smerom ako vertikálne k substrátu.

Výška vertikálne usporiadaných CNT sa mení aj v závislosti od vzdialenosti častíc katalyzátora. V správach sa uvádza, že v prípade vertikálne usporiadaných zväzkov CNT rastú CNT dlhšie, keď v ich blízkosti rastú iné CNT, čo sa prejavuje dlhšími CNT rastúcimi na väčších časticiach katalyzátora alebo keď sú častice katalyzátora rozmiestnené blízko seba. Choi a kol. zaznamenali dobrú morfológiu a hustú distribúciu VANTAs vypestovaných z Ni nanopráškov a magnetických kvapalín zmiešaných v polyvinylalkohole spin-coated na Si a oxidu hlinitom. Xiong a kol. preukázali, že monokryštalický oxid horečnatý (MgO) je pri katalýze Fe katalyzátorom vhodným substrátom na pestovanie VANTA s dĺžkou až 2,2 mm. Ukázalo sa tiež, že aplikácia monovrstvy Mo s katalyzátorom Co potlačila rozšírenie distribúcie priemeru SWNT v takejto vypestovanej VANTA, pričom zloženie aj množstvo Co a Mo ovplyvnili katalytickú aktivitu.

Podpora

Materiál substrátu, morfológia jeho povrchu a textúrne vlastnosti výrazne ovplyvňujú výsledný výťažok VANTA. Niektoré príklady bežne používaných substrátov pri CVD sú kremeň, kremík, karbid kremíka, oxid kremičitý, oxid hlinitý, zeolit, CaCO3 a oxid horečnatý. Väčšina substrátov je pred nanesením katalyzátora pokrytá podkladovou vrstvou pozostávajúcou z 10 – 20 nm oxidu hlinitého. Tým sa reguluje odmočenie katalyzátora do ostrovčekov predvídateľnej veľkosti a predstavuje difúznu bariéru medzi substrátom a kovovým katalyzátorom. Li a kol. vyrobili VANTA pozostávajúcu z uhlíkových nanorúrok v tvare Y pyrolýzou metánu nad katalyzátorom z oxidu horečnatého pokrytého kobaltom na rozvetvených nanokanálových šablónach oxidu hlinitého. Qu a kol. použili uhlíkové vlákno na báze smoly ako nosič na rast VANTA s použitím uhlíkového zdroja FePc. Výsledné pole sa šíri radiálne na povrchu uhlíkového vlákna.

Zhong a kol. demonštrovali priamy rast VANTA na kovových titánových (Ti) povlakoch s katalyzátorom Fe/Ti/Fe naprašovaným na SiO2/Si doštičky. Alvarez a kol. uvádzajú možnosť spin-coat roztoku alumoxánu ako katalytického nosiča pre rast VANTA prostredníctvom CVD. Po odparení konvenčného Fe katalyzátora na spin-coated nosič bol výsledný výťažok rastu VANTA podobný ako pri konvenčných práškových nosičoch Al2O3.

Zdroj uhlíka

Zdrojom uhlíka pre CVD VANTA je najčastejšie plynný uhlík, ako napríklad metán, etylén, acetylén, benzén, xylén alebo oxid uhoľnatý. Medzi ďalšie príklady uhlíkových prekurzorov patria cyklohexán, fullerén, metanol a etanol. Pyrolýza týchto plynov na atómy uhlíka sa líši v závislosti od rýchlosti rozkladu pri rastových teplotách, obsahu uhlíka v molekulách plynu a rastového katalyzátora. Lineárne uhľovodíky ako metán, etylén, acetylén sa tepelne rozkladajú na atómové uhlíky alebo lineárne diméry/triméry uhlíka a vo všeobecnosti vytvárajú rovné a duté CNT. Na druhej strane cyklické uhľovodíky, ako sú benzén, xylén, cyklohexán, fullerén, vytvárajú relatívne zakrivené/dutinové CNT so stenami rúrok často premostenými dovnútra. Vyrovnané polia MWNT boli syntetizované katalytickým rozkladom zmesi ferocén-xylén prekurzorov na kremenných substrátoch pri atmosférickom tlaku a relatívne nízkej teplote (~675 °C).

Eres a kol. zistili, že pridanie ferocénu do prúdu plynu tepelným odparovaním súčasne s acetylénom zvýšilo rýchlosť rastu uhlíkových nanorúrok a predĺžilo hrúbku VANTA na 3,25 mm. Ferocén sa zavádzal do prúdu plynu tepelným odparovaním súčasne s prúdom acetylénu. Qu a kol. uviedli nízkotlakový CVD proces na SiO2/Si doštičke, pri ktorom vzniká VANTA pozostávajúca z CNT so stočenými zapletenými koncami. Počas pyrolytického rastu VANTA pôvodne vytvorené segmenty nanorúrok zo základného procesu rastu rástli v náhodných smeroch a vytvorili náhodne zapletenú vrchnú vrstvu nanorúrok, na ktorú potom nadväzovali podkladové rovné polia nanorúrok. Zhong a kol. skúmali čisto tepelný proces CVD pre lesy SWNT bez leptacieho plynu a preukázali, že hlavným rastovým prekurzorom je acteylén a pre rast SWNT VANTA má kľúčový význam premena akejkoľvek vstupnej suroviny na C2H2. Reaktívny etchant, ako napríklad voda, atómový vodík alebo hydroxylové radikály, môže rozšíriť okno depozície SWNT lesa, ale nie je potrebný v reaktoroch so studenou stenou pri nízkych tlakoch.

Dasgupta a kol. syntetizovali voľne stojaci makrotrubicový VANTA pomocou sprejovej pyrolýzy roztoku ferocénu a benzénu v dusíkovej atmosfére, pričom sa zistilo, že optimálne podmienky na vytvorenie makrotrubicovej geometrie sú 950 °C, 50 mg/ml ferocénu v benzéne, rýchlosť čerpania kvapalného prekurzora 1,5 ml/min a prietok plynu dusíka 5 l/min.

Teplota

Pri príliš nízkej teplote nie sú atómy katalyzátora dostatočne pohyblivé na to, aby sa spojili do častíc na nukleáciu a rast nanorúrok, a katalytický rozklad uhlíkového prekurzora môže byť príliš pomalý na tvorbu nanorúrok. Ak je teplota príliš vysoká, katalyzátor je príliš pohyblivý na to, aby vytvoril dostatočne malé častice na nukleáciu a rast CNT. Typický rozsah rastových teplôt vhodných na CVD rast VANTA je 600 – 1 200 °C. Teplota rastu ovplyvňuje štruktúru jednotlivých CNT; pri nízkoteplotnej CVD (600 – 900 °C) vznikajú MWCNT, zatiaľ čo pri vysokoteplotnej reakcii (900 – 1 200 °C) sa uprednostňujú SWCNT, pretože majú vyššiu energiu tvorby. Pre každý systém CVD existuje kritická teplota, pri ktorej rýchlosť rastu dosahuje maximálnu hodnotu.

Teplotná závislosť rastu uhlíkových nanorúrok s ferocénom vykazuje prudký pokles pri vysokých teplotách substrátu a stratu vertikálneho usporiadania pri 900 °C. Zhang a kol. uskutočnili rast VANTA na sérii katalyzátorov Fe/Mo/vermikulit a uviedli, že so zvyšujúcou sa teplotou rastu sa zarovnanie CNT interkalovaných medzi vermikulitmi zhoršuje.

Rast s asistenciou toku

Kľúčom k vysokým výťažkom rastu je správne zavedenie oxidačných činidiel v plynnom prostredí tak, aby povrch častíc katalyzátora zostal aktívny čo najdlhšie, čo sa pravdepodobne dosahuje vyrovnaním konkurencie medzi rastom amorfného uhlíka a tvorbou sp2 grafitických kryštálov na časticiach katalyzátora. Oxidačné činidlá môžu nielen odstrániť alebo zabrániť rastu amorfného uhlíka, ale môžu tiež leptať vrstvy grafitu, ak sa používajú vo vyšších koncentráciách, ako je priaznivé. Hata a kol. uviedli milimetrové vertikálne zarovnané 2,5 mm dlhé SWCNT s použitím etylénového CVD procesu s asistenciou vody s viacvrstvovými Fe/Al alebo oxidmi hliníka na Si doštičkách. Navrhli, že riadený prívod pary do CVD reaktora pôsobil ako slabý oxidátor a selektívne odstraňoval amorfný uhlík bez poškodenia rastúcich CNT.

Rast s asistenciou poľa

Keďže všetky CNT sú elektricky vodivé, majú tendenciu vyrovnávať sa s elektrickými siločiarami. Na základe tohto princípu boli vyvinuté rôzne metódy na aplikáciu dostatočne silného elektrického poľa počas procesu rastu CNT, aby sa dosiahlo rovnomerné zarovnanie CNT. Orientácia zarovnaných CNT závisí okrem tepelnej náhodnosti a van der Waalsových síl najmä od dĺžky CNT a elektrického poľa. Táto technika bola použitá na pestovanie VANTA pozitívnym predpätím substrátu počas CVD rastu.

Ďalším modifikovaným prístupom k pestovaniu VANTAs je kontrola orientácie feromagnetických katalyzátorov, ktoré majú jednu kryštalografickú magneticky jednoduchú os. Magnetická jednoduchá os má tendenciu byť rovnobežná s magnetickým poľom. V dôsledku toho môže aplikovaná magnetická sila orientovať tieto magnetické katalytické nanočastice, ako sú katalytické nanočastice železa a nanočastice Fe3O4. Keďže len určitá nanokryštalická hrana katalytických nanočastíc je katalyticky aktívna a rýchlosť difúzie atómov uhlíka na tejto hrane je najvyššia, CNT prednostne rastú z určitej hrany katalytických nanočastíc a vyrastené CNT sú orientované pod určitým uhlom.

Individuálne adresovateľné nanoštruktúry

Uhlíkové nanorúrky možno pestovať na upravenom substráte, ktorý umožňuje samostatné elektrické kontakty s každou nanoštruktúrou. Tento rast nanorúrok sa dosahuje litografickým umiestnením kovových stôp oddelených izolačným materiálom a pripojením týchto stôp k jednotlivým miestam katalyzátora na povrchu substrátu. Nanorúrky sa potom pestujú normálnym spôsobom pomocou CVD a sériou reakcií na katalyzátore sa vytvorí jediný spoj medzi nanorúrkou a kovovým kontaktom. Nanoštruktúry sa potom môžu individuálne funkcionalizovať a ich elektrické odozvy sa môžu merať jednotlivo bez presluchov a iných prekážok, ktoré vznikajú v dôsledku heterogenity sústavy. Táto technika, ktorou sa dosahuje presné umiestnenie a konfigurácia jednotlivých nanorúrok, odomyká a zlepšuje širokú škálu aplikácií VANTA: diagnostické testovanie mnohých analytov súčasne, superkondenzátory s vysokou hustotou energie, tranzistory s poľom atď.

CVD posilnená plazmou

Mechanizmus rastu

Pri procesoch CVD posilnených plazmou (PECVD) sa pomocou jednosmerných elektrických polí, rádiofrekvenčných elektrických polí alebo mikrovĺn vytvára plazma, ktorá primárne znižuje teplotu syntézy CNT. Súčasne sa vytvára aj elektrické pole (jednosmerné alebo striedavé) na povrchu substrátu, ktoré usmerňuje šírenie rastu CNT. Proces DC-PECVD pre vertikálne zarovnané polia CNT zahŕňa štyri základné kroky: evakuáciu, ohrev, generovanie plazmy a chladenie. Typický postup sa vykonáva pri tlaku 8 Torr v NH3 a pri rastovej teplote v rozsahu 450 – 600 °C. Hneď ako sa teplota a tlak stabilizujú, do medzery medzi dvoma elektródami sa privedie jednosmerné predpínacie napätie 450 – 650 V, aby sa nad vzorkou zapálil elektrický výboj (plazma). Čas rastu sa môže pohybovať od niekoľkých minút až po hodiny v závislosti od rýchlosti rastu a požadovanej dĺžky CNT. Keď sa dosiahne koniec času rastu, predpojaté napätie sa okamžite odstráni, aby sa plazma ukončila.

Zhong a kol. uviedli nový prístroj na CVD s bodovou mikrovlnnou plazmou, ktorý sa používa na výrobu SWNT na Si substrátoch pokrytých sendvičovou nanovrstvovou štruktúrou 0,7 nm Al2O3/0,5 nm Fe/ 5 – 70 nm Al2O3 konvenčným vysokofrekvenčným rozprašovaním. Prvýkrát sa preukázal rast extrémne hustých a vertikálne usporiadaných SWNT s takmer konštantnou rýchlosťou rastu 270 mm/h v priebehu 40 minút pri teplote až 600 °C a objemová hustota takto vypestovaných SWNT filmov je až 66 kg/m3.

Katalyzátor

Vytvorenie hustej a relatívne rovnomernej vrstvy nanočastíc katalyzátora je tiež nevyhnutné pre vertikálne zarovnaný rast SWCNT vertikálne zarovnaných SWCNT metódou PECVD. Amaratunga a kol. uviedli rast vertikálne zarovnaných CNTs pomocou techniky PECVD s priamym prúdom so systémom katalyzátorov Ni a Co. Ich výsledky ukazujú, že zarovnanie vertikálne zarovnaných CNT závisí od elektrického poľa a že rýchlosť rastu sa môže meniť v závislosti od priemeru CNT, ktorý dosahuje maximum v závislosti od teploty rastu. VANTA pozostávajúce zo SWNT boli vypestované v dĺžke až 0,5 cm. Zhong a kol. uviedli nový prístroj na CVD s bodovým oblúkom mikrovlnnej plazmy, ktorý sa používa na SWNT na Si substrátoch pokrytých sendvičovou nanovrstvovou štruktúrou 0,7 nm Al2O3/0,5 nm Fe/ 5 – 70 nm Al2O3 konvenčným vysokofrekvenčným rozprašovaním. Prvýkrát sa preukázal rast extrémne hustých a vertikálne usporiadaných SWNT s takmer konštantnou rýchlosťou rastu 270 mm/h v priebehu 40 minút pri teplote až 600 °C a objemová hustota takto vypestovaných SWNT filmov je až 66 kg/m3.

Podpora

Pri procesoch PECVD musí byť substrát chemicky stabilný v plazme, ktorá je bohatá na H-druhy. Niektoré slabo viazané oxidy, ako napríklad oxid india, sa môžu v tejto plazme rýchlo redukovať, a preto sa zvyčajne nedajú použiť ako substrát alebo podkladová vrstva. Substrát musí byť aj elektricky vodivý, aby udržal kontinuálny tok jednosmerného prúdu cez svoj povrch, z ktorého vyrastajú CNT. Väčšina kovov a polovodičov je veľmi dobrým substrátovým materiálom a izolačné substráty môžu byť najprv pokryté vodivou vrstvou, aby správne fungovali na podporu rastu VANTA pomocou PECVD.

Zdroj uhlíka

Na spustenie rastu CNT počas PECVD VANTA sa zvyčajne zavádza C2H2. Pomer prietoku NH3:C2H2 je zvyčajne približne 4:1, aby sa minimalizovala tvorba amorfného uhlíka. Behr a kol. skúmali vplyv vodíka na nanočastice katalyzátora počas PECVD VANTA a preukázali, že pri pomere H2 ku CH4 približne 1 sa nanočastice katalyzátora železa menia na Fe3C a z predĺžených kryštálov Fe3C rastú dobre grafitizované nanorúrky. Pomer H2 ku CH4 väčší ako 5 v prívodnom plyne má za následok vysoké koncentrácie vodíka v plazme a silne redukčné podmienky, ktoré zabraňujú premene Fe na Fe3C a spôsobujú rast slabo grafitizovaných nanovlákien s hrubými stenami.

Teplota

Jednou z hlavných výhod použitia techník rastu PECVD je nízka teplota rastu. Ionizácia neutrálnych molekúl uhľovodíkov vnútri plazmy uľahčuje rozbíjanie väzieb C-H a znižuje aktivačnú energiu rastu CNT na približne 0,3eV na rozdiel od 1,2eV potrebných pri tepelných procesoch CVD.

Elektroforetické nanášanie

Roztoky CNT môžu vytvárať VANTA prostredníctvom usporiadania pozdĺž jednosmerných alebo striedavých elektrických siločiar. CNT sú v suspenzii polarizované elektrickým poľom z dôvodu dielektrického nesúladu medzi CNT a kvapalinou. Polarizačný moment otáča CNTs smerom k elektrickým siločiaram, a preto ich zarovnáva v spoločnom smere. Po vyrovnaní sa CNTs vyberú spolu so substrátmi a vysušia sa, čím sa vytvoria funkčné VANTA.

Mechanické napätie

Náhodne orientované CNT na substráte sa dajú natiahnuť, aby sa film narovnal a rozplietol porušením substrátu a odtiahnutím koncov od seba. Zarovnané CNT sú navzájom rovnobežné a kolmé na trhlinu. Metóda naťahovania môže makroskopicky vyrovnať CNT, pričom neposkytuje deterministickú kontrolu nad vyrovnaním alebo polohou jednotlivých CNT počas montáže.

Súčasné aplikácie

Zariadenia na vyžarovanie poľa

CNT majú vysoké pomery strán (dĺžka delená priemerom) a vyvolávajú veľmi vysokú intenzitu lokálneho elektrického poľa v okolí hrotov. K emisii poľa v pevných látkach dochádza v intenzívnych elektrických poliach a je silne závislá od pracovnej funkcie emitujúceho materiálu. V usporiadaní s paralelnými doskami je makroskopické pole Emacro medzi doskami dané vzťahom Emacro = V/d, kde d je vzdialenosť medzi doskami a V je aplikované napätie. Ak sa na doske vytvorí ostrý predmet, potom je miestne pole Elocal na jeho vrchole väčšie ako Emacro a možno ho vzťahovať na: Elocal=γ×Emacro Parameter γ sa nazýva faktor zosilnenia poľa a v podstate je určený tvarom objektu. Z jednotlivých CNT možno získať typické faktory zosilnenia poľa v rozsahu od 30 000 do 50 000, preto sú VANTA jedným z najlepších materiálov emitujúcich elektróny.

Absorbér čierneho telesa

Hlavný článok: Vantablack

VANTA ponúkajú jedinečný povrch absorbujúci svetlo vďaka extrémne nízkemu indexu lomu a nanorozmernej drsnosti povrchu zarovnaných CNT. Yang a kol. preukázali, že VANTA s nízkou hustotou vykazujú ultranízku difúznu odrazivosť 1 × 10 – 7 so zodpovedajúcou integrovanou celkovou odrazivosťou 0,045 %. Hoci sa čierne povlaky VANTA musia priamo prenášať alebo pestovať na substrátoch, na rozdiel od čiernych povlakov pozostávajúcich z náhodných sietí CNT, ktoré možno spracovať do farieb CNT, sa považujú za najčiernejší umelý materiál na Zemi.

Čierne povlaky VANTA sú preto užitočné ako absorbéry rozptýleného svetla na zlepšenie rozlíšenia citlivých spektroskopov, teleskopov, mikroskopov a optických snímacích zariadení. Z povlakov VANTA bolo vyrobených niekoľko komerčných optických čiernych povlakov, ako napríklad Vantablack a optické čierne povlaky z nanotrubičiek adVANTA. Absorbéry VANTA môžu tiež zvýšiť absorpciu tepla v materiáloch používaných v technológii koncentrovanej solárnej energie, ako aj vo vojenských aplikáciách, napríklad v tepelnom maskovaní. Vizuálne zobrazenia absorbérov VANTA vzbudili záujem aj u umelcov, ktorí sa snažia využiť zhášanie tieňov z drsného povrchu. Nedávno Vantablack použil umelec Asif Khan na vytvorenie pavilónu Hyundai v Pchjongčchangu pre zimné olympijské hry 2018.

Laná z uhlíkových vlákien

VANTA sa môžu spracovať prostredníctvom prchavých roztokov alebo skrútiť a skondenzovať do spriadaných CNT priadzí alebo lán. Jiang a kol. demonštrovali metódu pradenia a krútenia, pri ktorej sa z VANTA vytvorí CNT priadza, ktorá dáva vzniknúť kruhovému prierezu aj pevnosti v ťahu okolo 1 GPa. Pevnosť v ťahu CNT priadzí upradených z ultradlhých CNT polí s výškou 1 mm sa môže pohybovať od 1,35 do 3,3 GPa.

Jednosmerné listy

Lui a kol. opisujú spôsoby kontroly fyzikálnych vlastností plátov upradených z polí CNT vrátane hrúbky katalytickej vrstvy, kontroly rozloženia priemeru trubice a času rastu na kontrolu dĺžky trubice. Tieto vlastnosti sa dajú použiť na riadenie elektrických a optických vlastností listu vytočeného z poľa. Listy môžu byť užitočné vo vedeckých aplikáciách, ako je napríklad polarizácia svetla cez list (stupeň polarizácie sa dá riadiť aj teplotou listu).

Lepiace fólie

Biomimické štúdie zamerané na replikáciu priľnavosti gekónových nôh na hladkých povrchoch zaznamenali úspech s využitím VANTA ako suchého lepiaceho filmu. Qu a kol. dokázali demonštrovať filmy VANTA, ktoré vykazovali makroskopické adhézne sily ~ 100 newtonov na štvorcový centimeter, čo je takmer 10-násobok adhéznej sily gekónovej nohy. To sa podarilo dosiahnuť vyladením podmienok rastu VANTA tak, aby sa na konci CNT vytvorili kučery, ktoré zabezpečujú silnejšie medzifázové interakcie aj s hladkým povrchom. Qu a kol. tiež preukázali, že adhézne vlastnosti sú menej citlivé na teplotu ako superlepidlo a lepiaca páska.

Senzor plynu

VANTA umožňujú vývoj nových senzorov a/alebo senzorových čipov bez potreby priamej manipulácie s jednotlivými nanorúrkami. Vyrovnaná štruktúra nanotrubičiek ďalej poskytuje veľkú dobre definovanú plochu povrchu a možnosť modifikovať povrch uhlíkových nanotrubičiek rôznymi prevodovými materiálmi na účinné zvýšenie citlivosti a rozšírenie rozsahu detegovaných analytov. Wei a kol. uviedli plynový senzor vyrobený čiastočným pokrytím VANTA polymérnym povlakom zhora nadol po celej dĺžke ich trubice nanesením kvapky roztoku polyméru (napr. poly (vinylacetátu), PVAc, polyizoprénu, PI) na film nanorúrok, prevrátením kompozitného filmu ako voľne stojaceho filmu a následným naprašovaním dvoch pásových elektród zo zlata cez polia nanorúrok, ktoré vyčnievali z polymérnej matrice. Bolo preukázané, že flexibilné zariadenie VANTA úspešne sníma chemické výpary prostredníctvom monitorovania zmien vodivosti spôsobených interakciou prenosu náboja s molekulami plynu a/alebo zmenami vzdialenosti medzi trubicami vyvolanými napučaním polyméru prostredníctvom absorpcie plynu. Doteraz CNT preukázali citlivosť na plyny, ako sú NH3, NO2, H2, C2H4, CO, SO2, H2S a O2.

Biologický senzor

VANTA fungujú ako lesy molekulárnych drôtov, ktoré umožňujú elektrickú komunikáciu medzi základnou elektródou a biologickou entitou. Hlavnými výhodami VANTA sú nanorozmery senzorového prvku CNT a zodpovedajúce malé množstvo materiálu potrebného na detegovateľnú odozvu. Dobre zarovnané polia CNT boli použité na fungovanie ako senzory ribonukleovej kyseliny (RNA), senzory enzýmov, senzory DNA a dokonca aj senzory bielkovín. Podobné VANTA z MWNT, vypestované na platinových substrátoch, sú užitočné pre amperometrické elektródy, kde sa okysličené alebo funkcionalizované otvorené konce nanotrubičiek používajú na imobilizáciu biologických druhov, zatiaľ čo platinový substrát zabezpečuje prenos signálu. Na zvýšenie selektivity a citlivosti amperometrických biosenzorov sa pri výrobe biosenzorov často používajú umelé mediátory a permselektívne povlaky. Umelé mediátory sa používajú na prenos elektrónov medzi enzýmom a elektródou, aby sa umožnilo fungovanie pri nízkych potenciáloch. Gooding a kol. preukázali, že skrátené SWNT sa môžu samoskladaním zarovnať normálne k elektróde a fungovať ako molekulárne vodiče, ktoré umožňujú elektrickú komunikáciu medzi základnou elektródou a redoxnými proteínmi kovalentne pripojenými ku koncom SWNT. Vysokú rýchlosť prenosu elektrónov cez nanotrubičky na redoxné proteíny jasne dokazuje podobnosť rýchlostnej konštanty pre prenos elektrónov na MP-11 bez ohľadu na to, či sú SWNT prítomné alebo nie.

Materiály tepelného rozhrania

Rozhrania VANTA sú pri rovnakých teplotách tepelne vodivejšie ako bežné materiály tepelných rozhraní, pretože fonóny sa ľahko šíria pozdĺž vysoko tepelne vodivých CNT, a tak sa teplo prenáša jedným smerom pozdĺž usporiadania CNT. Rozloženie a usporiadanie tepelne vodivých náplní CNT sú dôležitými faktormi, ktoré ovplyvňujú prenos fonónov. Huang a kol. preukázali, že tepelne vodivý kompozit vykazuje zvýšenie tepelnej vodivosti o 0,65 W/m/K s 0,3 % hmotnostným zaťažením VANTA, zatiaľ čo zvýšená tepelná vodivosť kompozitu s 0,3 % hmotnostným zaťažením náhodne rozptýlených CNT je nižšia ako 0,05 W/m/K. Tong a kol. uviedli, že polia CNT možno efektívne použiť ako materiály tepelného rozhrania (TIM) vďaka ich vysokej vodivosti, ktorú uvádzajú ako ~10^5 W/m^2/K. Materiály tepelného rozhrania sú materiály, ktoré môžu zlepšiť tepelnú vodivosť na povrchoch tým, že majú vysokú tepelnú vodivosť; je užitočné mať materiály, ktoré sa dajú navrhnúť tak, aby vyhovovali akejkoľvek geometrii. Okrem toho geometria systémov VANTA umožňuje anizotropný prenos tepla. Ivanov a kol. zistili, že s VANTA sa dá dosiahnuť anizotropný prenos tepla: dosiahli tepelnú difúziu až 2,10,2 cm^2/s, pomer anizotropie až 72 a zistili tepelnú vodivosť vyššiu, ako majú materiály používané v dnešnej mikroelektronike. Vlastnosti prenosu tepla závisia do veľkej miery od štruktúry sústavy, takže metódy použité na výrobu výrobku musia byť jednotné a reprodukovateľné, aby sa mohli široko používať. Defekty v štruktúre môžu tiež drasticky narušiť vlastnosti materiálu pri prenose tepla.

Solárne články

Vertikálne usporiadané periodické polia uhlíkových nanorúrok (CNT) sa používajú na vytvorenie topograficky vylepšených fotovoltaických článkov zachytávajúcich svetlo. CNT tvoria zadný kontakt zariadenia a slúžia ako lešenie na podporu fotoaktívneho heteroprechodu. Na nanesenie CdTe a CdS ako materiálov typu p/n sa používa epitaxia molekulárnym lúčom a na nanesenie konformnej vrstvy oxidu india a cínu ako transparentného vrchného kontaktu sa používa depozícia s asistenciou iónov. Fotoprúd produkovaný "na cm2 plochy" zariadenia na báze CNT je 63-krát vyšší ako v prípade komerčne dostupného planárneho monokryštalického kremíkového zariadenia.

Tranzistory

VANTA zo SWNT s dokonale lineárnou geometriou sú použiteľné ako vysoko výkonné p- a n-kanálové tranzistory a unipolárne a komplementárne logické hradlá. Vynikajúce vlastnosti zariadení vyplývajú priamo z úplnej absencie akýchkoľvek defektov v poliach, definovaných trubicami alebo segmentmi trubíc, ktoré sú nesprávne zarovnané alebo majú nelineárny tvar, v rámci experimentálnej neistoty. Veľký počet SWNT umožňuje vynikajúce výkonnostné charakteristiky na úrovni zariadenia a dobrú rovnomernosť medzi jednotlivými zariadeniami, a to aj v prípade elektronicky heterogénnych SWNT. Merania na p- a n-kanálových tranzistoroch, ktoré zahŕňajú až 2 100 SWNT, odhalili pohyblivosť na úrovni zariadenia a škálovanú transkonduktanciu blížiacu sa k 1 000 cm² V-1 s-1 a 3 000 S m-1, v uvedenom poradí, a s prúdovými výkonmi až do 1 A v zariadeniach, ktoré používajú prepojené elektródy.

Nízko dielektrický materiál

Materiály s nízkym κ s nízkymi relatívnymi dielektrickými konštantami sa používajú ako izolačné vrstvy v integrovaných obvodoch na zníženie spojovacej kapacity. Relatívnu dielektrickú konštantu elektricky izolačných vrstiev možno ďalej znížiť zavedením dutín do materiálov s nízkym κ. Ak sa použijú podlhovasté a orientované póry, je možné výrazne znížiť efektívnu hodnotu κ bez toho, aby sa zvýšil podiel objemu dutín v dielektriku. CNT vo VANTA majú vysoký pomer strán a môžu sa použiť na zavedenie predĺžených a orientovaných pórov do dielektrika s nízkym κ, aby sa ďalej znížila efektívna hodnota κ dielektrika.

Podpora katalyzátora

Paládium podporované na vertikálne usporiadaných viacstenných uhlíkových nanorúrkach (Pd/VA-CNT) sa používa ako katalyzátor na C-C spojovacie reakcie p-jodonitrobenzénu so styrénom a etylakrylátom pri mikrovlnnom ožarovaní. Katalyzátor Pd/VA-CNTs vykazuje vyššiu aktivitu v porovnaní s Pd na báze aktívneho uhlia za rovnakých reakčných podmienok. Vďaka mikrovlnnému ožarovaniu sa kinetika reakcie výrazne zrýchľuje v porovnaní s reakciou získanou pri tradičnom spôsobe ohrevu. Makroskopická forma zarovnaného nosiča CNTs umožňuje jednoduché obnovenie katalyzátora, čím sa predchádza nákladným procesom separácie po reakcii. Okrem toho interakcia medzi aktívnou fázou a nosičom vedie k zanedbateľnému vylúhovaniu paládia počas recyklačných testov. Pozorované výsledky naznačujú, že Pd/CNTs je recyklovateľný a stabilný heterogénny katalytický systém.

Palivový článok

Palivové články sa skladajú z troch sendvičových segmentov: anódy, elektrolytu a katódy v reakčnom článku, kde sa elektrická energia vyrába vnútri palivových článkov prostredníctvom reakcií medzi vonkajším palivom a oxidantom za prítomnosti elektrolytu. Na anóde sa nachádza katalyzátor, ktorý oxiduje palivo, pričom sa palivo mení na kladne nabité ióny a záporne nabité elektróny. Týmto palivom je zvyčajne vodík, uhľovodíky a alkoholy. Elektrolyt blokuje prenos elektrónov a zároveň vedie ióny. Ióny prechádzajúce elektrolytom sa na katóde opäť spájajú s elektrónmi prechádzajúcimi cez záťaž počas reakcie s oxidačným činidlom za vzniku vody alebo oxidu uhličitého. Ideálnymi anódovými nosičmi na nanášanie katalytických nanočastíc sú porézne vodivé materiály na maximalizáciu elektrokatalytickej aktivity. VANTA sú preto ideálnymi materiálmi vďaka ich vlastnej vysokej vodivosti, vysokému povrchu a stabilite vo väčšine elektrolytov palivových článkov. Typickým katalyzátorom naneseným na anódy VANTA je platina, ktorá môže byť elektrodeponovaná na jednotlivé CNT VANTA. Elektrokatalytická aktivita na anóde je optimálna, keď sú častice Pt rovnomerne rozptýlené vo VANTA.

Gong a kol. uviedli, že VANTA dopované dusíkom môžu pôsobiť ako bezkovová elektróda s oveľa lepšou elektrokatalytickou aktivitou, dlhodobou prevádzkovou stabilitou a toleranciou voči crossover efektu ako platina pri redukcii kyslíka v alkalických palivových článkoch. Vo vzduchom nasýtenom 0,1 molárnom hydroxide draselnom sa pozoroval ustálený výstupný potenciál -80 milivoltov a prúdová hustota 4,1 miliampérov na štvorcový centimeter pri -0,22 voltov v porovnaní s -85 milivoltov a 1,1 miliampérov na štvorcový centimeter pri -0,20 voltov pre platinovo-uhlíkovú elektródu. Zdá sa, že začlenenie elektróny prijímajúcich atómov dusíka do konjugovanej roviny uhlíkových nanorúrok spôsobuje relatívne vysokú hustotu kladného náboja na susedných atómoch uhlíka. Tento efekt spolu so zarovnaním CNT dopovaných dusíkom poskytuje štvorelektrónovú cestu pre reakcie redukcie kyslíka na VANTA s vynikajúcim výkonom.

Superkondenzátory

Podobne ako bežné kondenzátory, aj superkondenzátory a elektromechanické aktuátory VANTA zvyčajne pozostávajú z dvoch elektród oddelených elektronicky izolačným materiálom, ktorý je v elektrochemických zariadeniach iónovo vodivý. Kapacita pre bežný plošný listový kondenzátor nepriamo závisí od vzdialenosti medzi elektródami. Naproti tomu kapacita elektrochemického zariadenia závisí od vzdialenosti medzi nábojom na elektróde a protinábojom v elektrolyte. Keďže toto oddelenie je v prípade CNT v elektródach VANTA približne nanometer v porovnaní s mikrometrovým alebo väčším oddelením v bežných kondenzátoroch s dielektrikom, veľmi veľké kapacity sú výsledkom veľkej plochy povrchu CNT prístupnej elektrolytu. Tieto kapacity (typicky 15 – 200 F/g, v závislosti od plochy povrchu sústavy nanorúrok) vedú k veľkej injekcii náboja, keď je privedených len niekoľko voltov.

Futaba a kol. uviedli techniku tvorby superkondenzátorov z VANTA sploštených usadzovaním vztýčených CNT ich zmáčaním kvapalinou. Kapacita pevného EDLC SWNT bola odhadnutá na 20 F g-1 z vybíjacích kriviek článkov nabitých pri 2,5 V pre dvojelektródový článok a zodpovedá 80 F g-1 pre trojelektródový článok. Hustota energie (W = CV2/2) sa odhadla na 69,4 W h kg-1 (z 80 F g-1), keď sa normalizovala na hmotnosť jednej elektródy.

V práci Pitkänen a kol. sa demonštruje ukladanie energie na čipe pomocou architektúry vysoko zarovnaných vertikálnych uhlíkových nanorúrok, ktoré fungujú ako superkondenzátory schopné poskytnúť veľké kapacity zariadenia. Účinnosť týchto štruktúr sa ďalej zvyšuje začlenením elektrochemicky aktívnych nanočastíc, ako je MnOx, ktoré vytvárajú pseudokapacitné architektúry, čím sa zvyšuje plošná špecifická kapacita na 37 mF/cm2.

Batérie

Na rozdiel od ultrakapacitorov, kde sa rozpúšťadlo elektrolytu nepodieľa na mechanizme ukladania náboja, v batériách sa rozpúšťadlo elektrolytu podieľa na medzifáze tuhej látky a elektrolytu. Li-ion batérie sa zvyčajne skladajú z anódy z aktívneho uhlíka, katódy z oxidu lítneho a kobaltu a organického elektrolytu. Na dosiahnutie lepších elektródových vlastností ako siete náhodných CNT a CNT kompozitov sa používajú VANTA, ktoré zabezpečujú lepší prenos elektrónov a väčší povrch.

Nanostrukturované materiály si získavajú zvýšenú pozornosť, pretože majú potenciál zmierniť súčasné obmedzenia elektród. Ako aktívny elektródový materiál v lítiovo-iónových batériách je však možné použiť vertikálne usporiadané viacstenné uhlíkové nanorúrky (VA-MWNT). Pri nízkych špecifických prúdoch tieto VA-MWNT vykazujú vysoké reverzibilné špecifické kapacity (až 782 mAh g-1 pri 57 mA g-1). Táto hodnota je dvakrát vyššia ako teoretické maximum pre grafit a desaťkrát vyššia ako ich nezaradený ekvivalent. Zaujímavé je, že pri veľmi vysokých rýchlostiach vybíjania si VA-MWNT elektródy zachovávajú strednú špecifickú kapacitu vďaka ich zarovnanému charakteru (166 mAh g-1 pri 26 A g-1). Tieto výsledky naznačujú, že VA-MWNT sú vhodnými kandidátmi na elektródy lítium-iónových batérií, ktoré vyžadujú vysokú rýchlosť a kapacitu.

Budúci potenciál

Vesmírny výťah

Vďaka vysokej pevnosti v ťahu a veľkému pomeru strán uhlíkových nanorúrok sú VANTA potenciálnym materiálom pre koncept vesmírneho výťahu.

Náhrada kremíka v tranzistoroch novej generácie

Uhlíkové nanorúrky majú oveľa vyššiu pohyblivosť nosičov ako kremík, a preto môžu byť oveľa rýchlejšie a energeticky účinnejšie, ak sa použijú v elektronike ako náhrada kremíka.

Problémy brániace komercializácii

Existujú tri hlavné problémy, ktoré bránia komercializácii technológie založenej na uhlíkových nanorúrkach v širšom meradle: Oddelenie kovových a polovodivých nanorúrok, vysoký odpor spojov v dôsledku veľmi malej kontaktnej plochy a umiestnenie nanorúrok presne (s nanometrovým rozlíšením) tam, kde majú byť v obvode. V oblasti znižovania kontaktného odporu v zariadeniach s uhlíkovými nanorúrkami sa vykonalo veľa práce. Výskumníci z Kalifornskej univerzity v Berkeley zistili, že pridanie medzifázovej grafitovej vrstvy počas syntézy znižuje odpor spoja. Výskumníci z IBM Watson tiež pripojili chemické lešenia v základnom kontaktnom bode nanotrubice, čo malo podobný účinok.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému VANTAs