KARBON NANOTÜPLER.

... konulu sunumlar: "KARBON NANOTÜPLER."— Sunum transkripti:

1 KARBON NANOTÜPLER

2 NANOTÜPLER - Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar
Nanotüpler, kristal grafitlerden oluşan hegzagonal örgüdeki karbon atomlarının oluşturduğu silindirik yapılardır.

3 İNSAN SAÇINDAN KEZ DAHA İNCE TEK KATLI VEYA ÇOK KATLI KARBON ATOMLARINDAN OLUŞAN TABAKA İLE ELEKTRONİK AYGITLAR MEKANİK OLARAK ÇOK SAĞLAM, KOVALENT BAĞ İLE BAĞLI YAPILAR FARKLI YARIÇAPLARDA, ÇOK KATLI OLABİLEN, ÇOK KARARLI YAPILAR. İLETKEN VE ELEKTRİK ALANINA DUYARLI

4 Karbon nanotüpler: Önemli elektronik ve mekanik özellikler
C-nanotüpler nanometrik boyutlardaki elektronik devrelerde Kompozitlerde takviye malzemesi İlk C NT ler : Moskovada Kimyasal Fizik Enstitüsünde CNT ler ve C-NT demetleri keşfedildi Fullerenler keşfedilince araştırmalar yoğunlaştı 1991 yılında, Tsukuba Labaratuarında Sumi Iijima, TEM ile C-NT ler gözlemledi. İlk tek katmanlı C-NT (SCNT) 1994 de Japonya’ da üretildi IBM ancak 1996’da C-NT leri üretebildi.

5 C-NT Nedir? Hekzagonal sistemde bazal düzlemlerde C-C bağları oluşturma (Graphene yapısı) Bu bağların yuvarlatılıp silindirik şekil elde edilmesi Video için tıklayın-1 Şekil Graphene Yapısına ait iki temsili örnek modeli. Video için tıklayın- 2

6 Şekil. Bir graphene yapısından nanotüp oluşumu.
Şekil. Karbonun Fulleren yapıları.

7 NANOTÜPLERİN TARIHÇESİ
C-NT: Silindirlerden oluşan fulleren tipi yapılar. Fulleren: 60 C atomundan oluşan küresel (futbol topu gibi) yapı (1985’te keşfedilmiş) Karbon atomlarının yaptığı bileşikler = “fulleren” .

8 Fulleren C-NT için bir ara üründür.
İlkin Fulleren oluşturulur Takiben Fulleren buharlaştırılır ve C-NT elde edilir. Fullerenler Graphene lere ayrışır ve buradan farklı özellikte C-Nanotüpler üretilir. Şekil. Bir graphene modeli (üstte) nanotüp elde edilmesi

9 A: Çift katmanlı tüp (Double wall) , B: Tek katmanlı tüp (single wall)
Nanotüp Şekilleri A: Çift katmanlı tüp (Double wall) , B: Tek katmanlı tüp (single wall)

10 Şekil. Üretilen Karbon Nano tüp formları; a) Tek katmanlı, b) Çok Katmanlı, c) Çift katmanlı d ) Fulleren içeren tek katmanlı

11 Karbon Nanotüp Oluşum Yönleri
Karbon nanotüpler üç farklı yönde oluşur 2 boyutlu graphen a) Zigzag geometri b) Sandalye kolu geometri c) Çapraz

12 Temel NanoTüp Üretim Yöntemleri
Ark Buharlaştırma 2. Kesikli Lazer Buharlaştırma 3. Kimyasal Buhar Biriktirme

13 Ark Buharlaştırma Karbon plazma haline getirilir (iyonlaştırılır)
Yüksüz (nötr) karbondan C-NT üretilir. İki karbon çubuk yaklaşık 1 mm aralıklarla uç uca yerleştirilir (iki elektrot olarak) Kapalı bir sistemde inert gaz (He, Ar) altında ve düşük basınçta (50-70 mbar) A, 20 V altında buharlaştırlır. Karbon Plazması Ark Metodu Ark Gücü: 23 VDC, 70 Amper

14  Sumia Iijima (japon) Fulleren leri Ark Buharlaştırma
ile ilk üreten kişidir.  Yöntemde C-NT ler Co dop edilmiş Grafit elektrotta (Katot) oluşturulur  Elektrotlar çok saf karbondan üretilir.  Anot 6 mm Katot ise 9 mm çapındadır  Katot surekli soğutulur (genelde su ile)

15 Penn State Üniversitesinin (A. B. D
Penn State Üniversitesinin (A.B.D.) kullandığı ark buharlaştırma cihazı

16 Lazer Buharlaştırma Lazer buharlaştırma ark buharlaştırmaya çok benzer. Benzer şartlar ve reaksiyon ve mekanizmalar meydana gelir. Lazer buharlaştırma ile ark buharlaştırmadan daha kaliteli SWNT üretilir. Lazer Metodu Karbon Plazması

17    1200 °C bir fırında karbonun lazer buharlaştırılması. Co veya Ni katalizör olarak kullanılır. Argon gazı, nanotüpleri fırından su ile soğutmalı bakır toplayıcıya toplar. 1996’da Rice Üniversitesi (Amerika) IBM destekli en kaliteli C-NT ler üretilmiş. Karbon 1200 °C lik fırında lazer-buharlaştırılmış Lazer Buharlaştırma ile: Katalizör kullanarak tek katmanlı (SWNT) katalizör kullanmadan çok katmanlı (MWNT) üretilmiş.

18 Lazer Buharlaştırma yönteminin şematik temsili

19 Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)
Spesifik Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemleri: Plazma Destekli CVD Termal CVD Alkol Katalizörlü CVD Buhar Fazı Büyüme CVD Aero-Jel Destekli CVD Lazer Destekli CVD

20 Şekil. CVD ile C Nanotüp üretilmesinin şematik temsili

21 Thermal CVD Sistem Diyagramı

22 CVD Nanotüp Üretim Adımları
 Plazma destekli CVD ile C nanotüpler üretilebilir.  İlk Adım: Si Wafer (pulcuk) dağlanır.  İkinci Adım: Dağlanan Si Wafer (pulcuk) üzerinde nano tüp çekirdeklenir  C2H4, CH4 precursor olarak kullanılır  Katalizörler = Fe, Ni, Co, Pd.  Yöntem diğer nanotüp oluşumu için de uygun Örnek: Si-SiGe, B, Si3N4

23 Video için tıkla-3 Şekil. Tek katmanlı C nanotüplerin Pd katalizör kullanılarak üretilmesi

24 Şekil. CVD ile Ni katalizörü yardımıyla üretilen Karbon nano tüp geçirimli elektron mikroskop (TEM) yapıları CVD ile nano tüp ve çubuklar, Değişik geometride kristaller de üretilir

25 Şekil. Camsı karbon porlarında (gözeneklerinde) oluşan grafit polikristalleri.
A: Kırık yüzey fotoğrafında gözenekte grafit polikristalleri ve karbon nano tüpleri. B: Karbon nanotüpler, C: Yedigen ve burkulmuş C çubuk. D: Burkulmuş yedigen grafit çubuk ve bundan çıkan C nanotüp. E: Grafit bilezik, F:Burkulmuş çok kristalli grafit nano çubuk

26 CNT ler Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak da üretilebilir. Bunun için;
ESEM tür mikroskop haznesi tercih edilir. SEM haznesi çok yüksek vakuma indirilir. Karbon buharlaştırılır ve bir katod üzerine biriktirilir Katotta Co veya Ni katalizörü bulunur. İplik şeklinde C-nanotüpler nm çapında, 100 nm boyunda

27 Nanotüplerin Özellikleri
Mekanik Özellikler Elektriksel Özellikler Optik Özellikler Kimyasal Özellikler

28 Mekanik Özellikleri ♦ Elmas kadar yüksek mukavemetlidirler
♦ Çok yüksek Elastik Modül : TPa arasında ♦ Maksimum çekme mukavemeti 30 GPa a yakın (çelikle karşılaştırıldığında 100 kat yüksek) ♦ Yoğunluk çeliğin 1/6 sı ♦ 3000C ye kadar kararlı

29 Polimer ve metallerin takviye edilmesinde CNT lerin kullanılması gündemde. Deneme çalışmaları devam etmekte. Şekil. MMK malzmelerde CNT etrafında dislokasyon birikimi.

30 Çok yüksek kırılma tokluğu
C hegzagonal kristal yapıdadır. Bazal düzlemlerde teorik elastik modül = 910 GPa. CNT ler TPa CNT neden teorik C modülünden yüksek? CNT lerin eğilme ve bükülmesi ile C-C bağ mukavemeti artar ve modül de artar. Çok yüksek kırılma tokluğu Esneyebilme çok yüksek, Eğme ve şekil verme mümkün Şekil. Esnetilmiş bir graphene (şematik)

31 (a) Şekil. C nanotüplerin bükülmesi a) Model b) Yüksek ayrım güçlü TEM fotoğrafı

32 Bükülme ile Elastik modül artar
Bükülme ile Elastik modül artar. Elmas kadar yüksek elastik modüllü ve çelikten 1000 kat tok malzeme ortaya çıkar. (Video için tıklayın-4)

33 Tablo. Karbon nanotüplerin elastik modülü, çekme mukavemeti ve yoğunluk değerleri ve diğer malzemelerle karşılaştırılması. Malzeme Young Modülü (GPa) Çekme Gerilmesi Yoğunluk (g/cm3) Tek Katmanlı (SWCNTs) 1054 150 Çok Katmanlı (MMCNTs) 1200 2.6 Çelik 208 0.4 7.8 Epoksi 3.5 0.005 1.25 Tahta 16 0.008 0.6

34 Optik Özellikler Elektriksel Özellikler
☻ Hem yarı iletken hem metalik iletkendirler ☻ İletkenlik 1 Milyar Amper/m2 olabilir (Bakır = 1 milyon Amper/m2) Optik Özellikler ◙ Optik olabilirler ancak Chiral nanotüpler çok uzun iseler optiklik ortadan kalkar

35 Kimyasal Özellikler ◙ Kimyasal olarak inerttirler
◙ Graphene levhalardan daha reaktiftirler.

36 CNT lerin Uygulamaları

37 create the world that never was
Scientists discover the world that exists; Engineers create the world that never was Theodore Von Karman

38 Yakıt hücreleri, Gaz Depolama
Elektronik Enerji Yakıt hücreleri, Gaz Depolama Lityum Iyon pil, Süper Kapasitörler Transistör, Sensör, Interconnection, Quantum bit Karbon Nanotüpleri Kimya Adsorbent Sensör, Katalizör Nanoteknoloji Kompozit malzemeler Elektrik ileten plastikler Kuvvetlendirilmiş malzemeler

39 CNT lerin Uygulamaları
Enerji Depolama ♪ Hidrojen depolama, Lityum iyon pillerde elektrot, Elektrokimyasal Süperkapasitörler Elektronik ♪ Magnetik alan yayma cihazları, Tranzistörler Nano-Cihazlar ♪ Nano-proplar, Nano-sensörler, Nano-yatak ve dişliler

40 Şekil. C Nanotüplerde iyon ve sıvı taşınımı tasarlanıyor
Şekil. C Nanotüplerde iyon ve sıvı taşınımı tasarlanıyor. Amaç, ilaç taşınımı, iyon taşınımı, enerji taşınımı vs.

41 Şekil. C Nanotüp içinde taşınım (model) (video için resme tıkla-5)
Nanoparçacıklar içerisine yerleştirilen kemoterapi ajanları, tümörleri hem zehirleyerek hem de kan girişini engelleyerek öldürmektedir. Fareler üzerinde yapılan deneylerde, bu yöntemle tedavi edilenler diğer yöntemlerle tedavi edilenlere göre en az iki kat daha uzun süre yaşadıkları gözlemlenmiştir. Şekil. C Nanotüp içinde taşınım (model) (video için resme tıkla-5)

42 a) Taşınımın başlaması b) Taşınım c) Kapiler etki
Şekil. Canlı damar yapısı (üstte) C nano tüp damar modelleri (video için resme tıkla 10) CNT ler ile ilaç taşımada taşınım problemlerinin aşılmasına çalışılmakta. Özellikle kanser tedavisi amacıyla

43 HİDROJEN DEPOLAMA Geçiş elementleri (Pt, Pd, Ti, V,...) ile işlevleştirilen nanotüpler ve moleküllere çok yüksek kapasitede hidrojen depolanabileceği gösterilmiştir. Bu buluşun, geleceğin otomobillerinde kullanılacak verimli yakıt hücreleri ve katalizörlerin tasarımında kullanılması düşünülmektedir.

44 Karbon nanotüpler gözenekli ve yüzey alanı oldukça yüksek malzemeler.
Karbon nano yapların hidrojen soğurma yetenek ve kapasiteleri çok tartışmalı bir konudur Teorik calışmalar, karbon nano yapıların oldukça fazla hidrojen soğurma kapasitesine sahip olduğunu göstermekte ise de Deneysel calışmalar, değişik basınç ve sıcaklık durumlarına göre % arası hidrojen soğurma değerleri göstermekte. Karbon nanotüpler gözenekli ve yüzey alanı oldukça yüksek malzemeler. Tahmini; 1 gramında 3000 m2 yüzey alanı (tüp uçları açık, en yüksek). Deneysel; 800 m2 /g ve genellikle de 400 m2 /g den az

45 Fiziksel ve Kimyasal sekilde (Physisorption and chemisorption) hidrojenin soğurulması mümkündür
Kimyasal; hidrojenin soğurulduğu malzemelerle yaptığı bağ kovalent bağdır. Bu sekildeki kuvvetli bir bağdan kurtulabilmesi ve ticari olarak kullanilabilmesi için gerekli olan sıcaklık ise çok yuksektir (> 500 K) Fiziksel; hidrojen moleküllerinin soğurulduğu malzemenin yüzeyine yakın ve sabit olarak durmasını sağlıyan temel kuvvet van der Waals etkileşimidir. Zayıf bir kuvvet olduğu için depolama düşük sıcaklık ve yüksek basınç gerektirir (-196 C, sıvı azot). Bırakılma sıcaklığı ise genellikle oda sıcaklığı olduğu için fiziksel soğurulma daha fazla tercih edilir (ticari uygulamalar icin). Karbon nanotüplerde hidrojen depolanma sürecinin anlaşılması daha oldukça fazla araştırma gerektirmekte

46 Oda sıcaklığı ve makul bir basınçta; Hidrojen depolama kapasitesi 4 wt%
Bildirilen daha yüksek değerlerin (8-10 wt.%) tekrarlanmasında zorluklar görüldü Düsük maliyet – çok miktarda üretim yöntemleri karbon nanotüpler için mevcut değil

47 Hidrojen bir şekilde sıvı özellikleri göstermekte
H2 nin kinetik iç çapı nm ve H2 molar dağılımının tamamı tüpler içerisinde yada arasında 3.3 wt% (tüp içerisinde) 0.7 wt.% (tüpler arasında) 4.0 wt.%( toplam kapasite )

48 70 Bar 1 Bar Hidrojen depolanmasında basınçın etkisi (Simülasyon)

49

50

51 KARBON NANOTÜP ELEKTROTLAR Karakteristik çapları: 10-200nm
Nanotüpler yapılarına göre değişerek metal veya yarıiletken olabilirler. Transistorlerde kullanılırlar Şekil. Alan Etkili Nanotüp transistorü (Tüp içine Video için resme tıkla-6)

52 Nano tüp Tranzistör Silan Ti/Au Kontağı AFM Görüntüsü SiO2
Karbon Nanotüp Nanotüp tranzistör diyagramı

53 DNA lar ile Yapılan Nanotüp Tranzistör
Silisyum üstünde altın elektrotlarına bağlanan DNA sarmalları. Karbon nanotüplerin uçlarına bağlanan DNA sarmalları. Silisyum ve karbon nanotüpler karıştırılır ve DNA tranzistör oluşumu için bağlantı yapar.

54 Mini gaz sensörleri Sürtünmesiz yüzeyler

55 Şekil. AFM ucu nanotüplerin SEM görüntüleri
Nano-Proplar STM ve AFM uçları Hassasiyet ve dayanımları yüksek Şekil. AFM ucu nanotüplerin SEM görüntüleri

56 Nano-Yatak ve Dişliler
Viedo için resme tıkla 7 ve 8

57 Nanotüplerin İşlenmesi
Nanotüplerden devre yapabilmek için, Nanotübün konumunu, şeklini ve yönelimini degiştirebilmek için atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılır. Nano devreler karbon tüplerden üretilmeye başlanmış. Şekil. Bir AFM cihazı ucu.

58 Nanotüplerin İşlenmesi:
Nanotüplerden devre yapabilmek için, kontrollü bir şekilde nanotübün işlenebilmesi önemlidir. Nanotübün konumunu, şeklini ve yönelimini değiştirebilmek için Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) kullanılır.

59 AFM çubuğu ile 2,5 mikron boyunda “” oluşturulmuştur.

60 Tıpta CNT ler Şekil. Canlı damar yapısı (üstte) C nano tüp damar modelleri Video için resme tıkla-9 Damarların karbon nano tüplerden yapılması düşünülmekte Kanser tedavisinde nano tüpler kullanılması hedefte

61 Şekil. C nano tüpe fonksiyonel grupların bağlanması
Şekil. C nano tüpe fonksiyonel grupların bağlanması. Örnek doku tamirinde kullanılabilir (Adale yırtılması)

62 Uzay Asansörü CNT Amaç Yeryüzünden dünyanın yörüngesinde bir bölgeye kurulan koloniye hat yapmak. Zamandan ve masraftan tasarruf etmek Problem kilometrelik yaklaşık uzunluk 20 tondan fazla ağırlıkta platforma kurmak

63 Uzay Asansörü

64 Tablo Karbon Nanotüplerin Karşılaştırmalı Özellikleri Özellik
Tek Katmanlı C nanotüp Diğer özellikte Malzemeler Ebadı nm çapında Elektron demeti ile 50nm x 5nm ebadında çizgiler oluşturulabilir Yoğunluk g/cm3 Alüminyum: 2.7 g/cm3 Gerilme muk. 45 GPa En sağlam çelik alaşımları 2 GPa’ da kopar Esneklik Düğüm yapılabilecek kadar esnek Metaller ve karbon fiberler kırılır Akım taşıma kapasitesi 1 Gigaamper/ cm2 Bakır teller 1 mega amper/cm2’de yanar Alan yayma 1 mikrometre uzaklıktan fosfor atomlarını 1-3 Volt civarında uyarabilir Molibdenum uç Volt/ mikrometre (kısa ömürlü) Isı iletimi Oda sıcaklığında 6000 W/mK Saf elmas 3320 W/mK Sıcaklığa dayanıklılık Havada 750 oC’, vakumda 2800 oC’ye kadar Mikroçiplerdeki metal teller oC’de erir Maliyet 1500 $/gram Altın: 10 $/gram 1nm = 10 A =10-9 m; 1 mikrometre = 10-6 m; 1 GPa = 109 paskal; 1 Pa = 1 N/m2

65 Tablo. Nanotüplerin Elektroniğin Ötesinde Kullanımları,
(Uygulanabilirlik Dereceleri: 0 = Bilim kurgu, 2 = Uygulanmış, 3 = Pazarlanmaya hazır) Uygulanan Alan Uygulama Fikri Engel Uyg Kimyasal ve Genetik Sondalar DNA iplikçiği Nanotüp uçlu AFM mikroskobu DNA iplikçiğini izleyip gen haritasını çıkarabilir. Bir yüzeyin kimyasını görüntülemek için bulunmuş tek yöntem. Henüz yaygın kullanım yok. DNA' nın kısa parçalarında uygulanmış 3 Mekanik Hafıza Nonvolatile RAM Destek blokları üzerine yerleştirilen nanotüpten yapılmış bir ekran. Cihazın açılıp kapanma hızı ölçülmemiş. Hafıza hız sınırı düşük 2 Nano cımbızlar 5 mikronluk cımbız Bir cam çubuk üzerindeki elektrotlara bağlı iki nanotüp, voltaj değişimi ile açılıp kapatılabilir. Cımbızlar, kendi enlerinden büyük nesneleri yakalıyor. Nanotüpler çok yapışkan ki, bu sefer de nesneyi bir türlü bırakmıyorlar. Üstün Duyarlılıkta Algılayıcılar Oksijen tüplere yapışıyor Nanotüpler alkalilere, halojen ve gazlara karşı elektriksel dirençlerini değiştiriyorlar. Anlamı: daha duyarlı kimyasal algılayıcılara umut Nanotüpler o kadar çok şeye (oksijen ve su dahil) karşı yüksek duyarlılık taşıyor ki, bir kimyasal gazı diğerinden ayırt edememeleri riski söz konusu Hidrojen ve iyon Deposu Nanotüpün iç kısmındaki atomlar Nanotüpler, iç kısımlarında hidrojeni depolayabilir. Li iyonlarını da depolarlarsa, daha uzun ömürlü pillere kavuşacağız. Şu anki en iyimser veriler, % 6,5'luk H2 alımına işaret. Bu yakıt hücrelerini ekonomik hale getirmeye yetmez. Li iyonlarıyla çalışmalar başlangıç aşamasında. 1 Keskin Görüntü Veren Taramalı Mikroskop Tek tek Antikorlar Taramalı mikroskopun uç kısmına bağlı nanotüpler, görüntünün yan kısımlarındaki çözünürlüğü 10 kat kadar artırır. Uçlar piyasada bulunabiliyor. Talep üzerine tek tek üretiliyor. Nanotüp uçları çözünürlüğü dikey yönde artırmıyor. Gizli kalmış olan derin çukurcukları görüntülemeye olanak tanıyor. 4 Süper-güçlü Malzemeler Nanotüp gerilme testi Malzemere ilave nano tüpler, büyük bir esneklik ve gerilme kuvvetine sahip. Zıplayan araba, depremde çökmeden sallanan binaların yapımında kullanılabilir. Nanotüplerin maliyeti, karbon fiberlerden kat fazla. Nanotüp yüzeyleri fazla düzgün ve pürüzsüz (arayüzey bağı çok zayıf). Matriksten sıyrılıp kırılmaya yol açabiliyor.

66 Nanotüplerin Gelecekte Düşünülen Kullanım Alanları
Mikro-elektronik / yarı iletken İletken Kompozitler Kontrollü İlaç iletimi Yapay Adaleler Süperkapasitörler Piller Alan Yayıcı düz kare monitörler Alan Etkili Tranzistörler Tekli Elektron Tranzistörleri Nano Lithografi Nano Elektronik Doplama Nano Teraziler ve Denge Nano Cımbızlar Data Saklama Magnetik nanotube Nano Dişliler Nanotüp Hareketlendiriciler Molekülerr Kuantum Telleri Hidrojen Depolama Soy Radyoaktif Gaz Depolama Güneş Enerjisi Depolama Atık Geri Dönüşüm Elektromagnetik Kalkan Diyaliz Filtreleri Termal Koruma Nanotüp Takviyeli Kompozitler Savaş Malzeme ve Cihazları İçin Takviye Elemanı Polimerler İçin Takviye Elemanı Havacılık Çarpma Korımalı Malzemeler materials Sürtünmesiz Tekerlekler