Взаимодействие СВЧ-излучения с УНТ и композитами на их основе

Министерство образования и науки

ГОУ ВПО «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

Кафедра физики твёрдого тела

Взаимодействие СВЧ-излучения с УНТ

и композитами на их основе

Реферат

студента III курса факультета нано- и биомедицинских технологий

Зиновьева Дмитрия Васильевича

Саратов 2010 г.

Содержание

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Классификация нанотрубок

1.2 Однослойные и многослойные нанотрубки

2. Сверхвысокочастотный диапазон

3. Усиление углеродными нанотрубками СВЧ излучения

4. Поглощение композитом SiО2+УНТ СВЧ излучения

Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Схематическое изображение нанотрубки

Классификация нанотрубок

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проиллюстрировано на рисунке справа.

По значению параметров (n, m) различают:

1. прямые (ахиральные) нанотрубки

2. «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m

3. зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0

4. спиральные (хиральные) нанотрубки.

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если 2m+n, делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло». Более подробно см. раздел про электронные свойства нанотрубок.

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Однослойные и многослойные нанотрубки

Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки» (russian dolls)).

Сверхвысокочастотный диапазон

частотный диапазон электромагнитного излучения (100-300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

Усиление углеродными нанотрубками СВЧ излучения

Высокое аспектное отношение и хорошие проводящие свойства углеродных нанотрубок (УНТ) открывают перспективы использования этого материала в качестве эффективного источника СВЧ излучения. Преимущества таких СВЧ-антенн перед обычными металлическими или диэлектрическими антеннами связаны с относительно низким уровнем омических потерь, вследствие баллистического характера электронной проводимости УНТ. Экспериментальные исследования, выполненные в последние годы, показали, что антенна на основе УНТ, имеющих радиус порядка нанометра, характеризуется существенно более низким уровнем потерь, чем медный цилиндр той же геометрии. Детальное исследование характеристик антенны на основе нанотрубок выполнено недавно в Univ. of Hefei (КНР) и Univ. of Arizona (США). Авторы использовали массив нанотрубок, выращенный методом химического осаждения паров (CVD) на кремниевой подложке в присутствии катализатора на основе железа. Кремниевую пластину, покрытую золем на основе железа, вводили в кварцевую трубку и выдерживали в течение 10 ч при температуре 500⁰ С в атмосфере водорода, что приводило к образованию наночастиц железа нужного размера (диаметр 27 нм при среднем расстоянии между частицами 10 нм). Синтез УНТ производили на подготовленной таким образом подложке при температуре 670⁰ С в потоке ацетилена и аргона при отношении 1:15. Полученные образцы исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа. Наблюдения показали, что массив нанотрубок, имеющих диаметр около 20 нм и длину около 20 мкм, характеризуется высокой степенью однородности.

Для исследования влияния массива УНТ на работу СВЧ антенны использовали конфигурацию, показанную на рисунке.

Исходная полосковая антенна (а) имела рабочие пластины площадью 2х5 см². Излучательные свойства этой антенны сравнивали с соответствующими характеристиками антенны (b), на пластины которой помещали подложки с массивами УНТ. Расстояние между излучателем и приемной антенной составляло 2 м. Исследования, проведенные в частотном диапазоне от 9 кГц до 2 ГГц, показали, что использование массивов УНТ повышает интенсивность излучения антенны. Эффект зависит от частоты излучения и на некоторых частотах может достигать 10 дБ.

Поглощение композитом SiО2+УНТ СВЧ излучения

Композитные материалы, в которые добавлены углеродные нанотрубки (УНТ), существенным образом изменяют свои характеристики. В недавно опубликованной работе сотрудников Shanghai Inst. Ceramics (Академии наук Китая) показано, что композитный материал из диоксида кремния с добавкой многослойных УНТ эффективно поглощает СВЧ излучение. Нанотрубки диаметром и длиной в диапазоне 20-40нм и 5-15мкм, соответственно, были получены термокаталитическим разложением метана. Плотный композитный материал получен горячим прессованием мелкодисперсной диоксида кремния, предварительно перемешанной с УНТ. Для измерений диэлектрической постоянной использовали образцы размером 22.86х10.16х2.0мм³. В частотном диапазоне от 8-12ГГц как действительная ε΄, так и мнимая ε΄΄ компоненты диэлектрической постоянной монотонно возрастают с ростом содержания УНТ в образце. Так, при добавлении 2.5 об. % УНТ величина ε΄ возрастает до 8, что примерно в 2.4 раза превышает величину для чистой диоксида кремния. При добавлении 10% УНТ эта величина возрастает, в зависимости от частоты излучения, от 36 до 56. Величина ε΄΄ также возрастает с увеличением содержания УНТ в образце, однако в отличие от ε΄, величина которой падает с ростом частоты излучения, частотная зависимость параметра ε΄΄ имеет возрастающий характер. Отношение указанных параметров ε΄/ε΄΄, известное под названием «тангенс угла потерь» tg δ, при содержании УНТ в образце 2.5% примерно на 3 порядка превышает величину, присущую чистой диоксида кремния. При дальнейшем увеличении содержания УНТ до 7.5 – 10% tg δ приближается к единице. Прямые измерения коэффициента пропускания СВЧ излучения синтезированными композитами также указывают на рост коэффициента поглощения СВЧ излучения с увеличением содержания УНТ в образце. Так, при объемном содержании УНТ в образце, равном 10%, коэффициент пропускания излучения в диапазоне частот 11–12ГГц достигает 33дБ, что указывает на отличную поглощающую способность рассматриваемого материала.

Зависимость пропускания микроволн (дБ) от частоты для образцов композитов SiО2+УНТ толщиной 5мм при различной концентрации УНТ.