karbon nanotÜpler -...

Prof. Dr. Hatem AKBULUT 11 Nisan 2016 Pazartesi 1

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİMETALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ

KARBON NANOTÜPLER



NANOTÜPLER

- Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar

Nanotüpler, kristal grafitlerden oluşan

hegzagonal örgüdeki karbon atomlarının

oluşturduğu silindirik yapılardır.



İNSAN SAÇINDAN 10.000 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



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.



Hekzagonal sistemde

bazal düzlemlerde C-

C bağları oluşturma

(Graphene yapısı)

Bu bağların

yuvarlatılıp silindirik

şekil elde edilmesi

Şekil Graphene Yapısına ait

iki temsili örnek modeli.

•C-NT Nedir?

Video için tıklayın- 2

Video için tıklayın-1

Uprolling-AC.mov

Uprolling-AC.mov

1- Uprolling-AC.mov

1- Uprolling-AC.mov

2-Uprolling-ZZ.mov

1- Uprolling-AC.mov



Şekil. Bir graphene yapısından

nanotüp oluşumu.

Şekil. Karbonun Fulleren yapıları.



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” .



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



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

Nanotüp Şekilleri



Şekil. Üretilen Karbon Nano tüp formları; a) Tek katmanlı, b) Çok

Katmanlı, c) Çift katmanlı d ) Fulleren içeren tek katmanlı



Karbon Nanotüp

Oluşum Yönleri

Karbon nanotüpler üç farklı yönde oluşur

2 boyutlu graphen

a) Zigzag geometri

b) Sandalye kolu geometri

c) Çapraz



Temel NanoTüp Üretim Yöntemleri

1. Ark Buharlaştırma

2. Kesikli Lazer Buharlaştırma

3. Kimyasal Buhar Biriktirme



• 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) 50-100 A, 20 V altında buharlaştırlır.

Ark Buharlaştırma

Karbon Plazması

Ark Metodu

Ark Gücü: 23 VDC, 70 Amper



Sumia Iijima (japon) Fulleren leri Ark Buharlaştırmaile 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)



Penn State Üniversitesinin

(A.B.D.) kullandığı ark

buharlaştırma cihazı



•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

Lazer Buharlaştırma



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.



Lazer Buharlaştırma

yönteminin şematik

temsili



Spesifik Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemleri:

1. Plazma Destekli CVD

2. Termal CVD

3. Alkol Katalizörlü CVD

4. Buhar Fazı Büyüme CVD

5. Aero-Jel Destekli CVD

6. Lazer Destekli CVD

Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD)



Şekil. CVD ile C Nanotüp üretilmesinin şematik temsili



Thermal CVD Sistem Diyagramı



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

CVD Nanotüp Üretim AdımlarıCVD Nanotüp Üretim Adımları



Şekil. Tek katmanlı C

nanotüplerin Pd

katalizör kullanılarak

üretilmesi

Video için tıkla-3

3-Nano tüp büyüme.mpg

3-Nano tüp büyüme.mpg



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



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



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. 10-20 nm çapında, 100 nm boyunda



Nanotüplerin Özellikleri

Mekanik Özellikler

Elektriksel Özellikler

Optik Özellikler

Kimyasal Özellikler



♦ Elmas kadar yüksek mukavemetlidirler

♦ Çok yüksek Elastik Modül : 1.0-1.4 TPa arasında

♦ Maksimum çekme mukavemeti 30 GPa a yakın

(çelikle karşılaştırıldığında 100 kat yüksek)

♦ Yoğunluk çeliğin 1/6 sı

♦ 3000C ye kadar kararlı

Mekanik Özellikleri



Polimer ve metallerin

takviye edilmesinde

CNT lerin kullanılması

gündemde. Deneme

çalışmaları devam

etmekte.

Şekil. MMK malzmelerde

CNT etrafında

dislokasyon birikimi.



C hegzagonal kristal yapıdadır.

Bazal düzlemlerde teorik elastik modül = 910 GPa.

CNT ler 1.0-1.4 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)



Şekil. C nanotüplerin bükülmesi a) Model

b) Yüksek ayrım güçlü TEM fotoğrafı

(a)



Bükülme ile Elastik modül

artar. Elmas kadar yüksek

elastik modüllü ve çelikten

1000 kat tok malzeme

ortaya çıkar. (Video için tıklayın-4)

multi_bend_640.mpg

multi_bend_640.mpg

4-multi_bend_640.mpg



Malzeme

Young

Modülü

(GPa)

Çekme

Gerilmesi

(GPa)

Yoğunluk

(g/cm3)

Tek Katmanlı

(SWCNTs) 1054 150

Çok Katmanlı

(MMCNTs)1200 150 2.6

Çelik 208 0.4 7.8

Epoksi 3.5 0.005 1.25

Tahta 16 0.008 0.6

Tablo. Karbon nanotüplerin elastik modülü, çekme mukavemeti ve yoğunluk değerleri ve diğer malzemelerle karşılaştırılması.



☻ Hem yarı iletken hem metalik iletkendirler

☻ İletkenlik 1 Milyar Amper/m2 olabilir

(Bakır = 1 milyon Amper/m2)

Elektriksel Özellikler

Optik Özellikler

◙ Optik olabilirler ancak Chiral nanotüpler çok

uzun iseler optiklik ortadan kalkar



◙ Kimyasal olarak inerttirler

◙ Graphene levhalardan daha reaktiftirler.

Kimyasal Özellikler



CNT lerin Uygulamaları



•Scientists

• discover the world that exists;

•Engineers

• create the world that never was

• Theodore Von Karman



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



Şekil. C Nanotüplerde iyon ve sıvı taşınımı

tasarlanıyor. Amaç, ilaç taşınımı, iyon taşınımı,

enerji taşınımı vs.



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.

5-Tüp içinde taşınım model.mpg

5-Tüp içinde taşınım model.mpg



a) Taşınımın

başlaması

b) Taşınım c) Kapiler etki

CNT ler ile ilaç taşımada taşınım

problemlerinin aşılmasına

çalışılmakta.

Özellikle kanser tedavisi

amacıyla

Şekil. Canlı damar yapısı

(üstte) C nano tüp damar

modelleri (video için resme tıkla 10)

10-Meniscus.AVI

10-Meniscus.AVI



•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.



• 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

% 0 -10 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



● 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



• 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



3.3 wt% (tüp içerisinde)0.7 wt.% (tüpler arasında)4.0 wt.%( toplam kapasite )

● Hidrojen bir şekilde sıvı özellikleri göstermekte● H

2nin kinetik iç çapı 0.289

nm ve H2

molar dağılımının tamamı tüpler içerisinde yada arasında



Hidrojen depolanmasında basınçın etkisi (Simülasyon)

1 Bar 70 Bar



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)

6-Fulleren contained.mpg

6-Fulleren contained.mpg



Nano tüp Tranzistör

Nanotüp tranzistör

diyagramı

•Karbon Nanotüp

•SiO2

•Ti/Au Kontağı

•AFM

Görüntüsü

•Silan



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.



•Mini gaz sensörleri

•Sürtünmesiz yüzeyler



Nano-Proplar

• STM ve AFM uçları

• Hassasiyet ve

dayanımları yüksek

Şekil. AFM ucu

nanotüplerin SEM

görüntüleri



Nano-Yatak ve Dişliler

Viedo için resme tıkla 7 ve 8

2-Nano motor.mpg

2-Nano motor.mpg

7-Dişli farklı devir.mpg

7-Dişli farklı devir.mpg

8-Dişli şaft.mpg

8-Dişli şaft.mpg



Nanotüplerin İşlenmesi Nanotüplerden devre yapabilmek için,

Nanotübün konumunu, şeklini ve yönelimini degiştirebilmek için atomik kuvvetmikroskobu (AFM) kullanılır.

Nano devreler karbon tüplerden üretilmeye başlanmış.

Şekil. Bir AFM cihazı ucu.



•Nanotüplerin İşlenmesi:

•Nanotüplerden devre yapabilmek

için, kontrollü bir şekilde nanotübün

işlenebilmesi önemlidir. Nanotübün

konumunu, şeklini ve yönelimini

değiştirebilmek için Atomik Kuvvet

Mikroskobu (AFM) kullanılır.



• AFM çubuğu ile 2,5 mikron

boyunda “” oluşturulmuştur.



Damarların karbon nano tüplerden yapılması

düşünülmekte

Kanser tedavisinde nano tüpler kullanılması

hedefte

Şekil. Canlı

damar yapısı

(üstte) C nano

tüp damar

modelleri

Tıpta CNT ler

Video için resme tıkla-9

9-Three branching.mpg

9-Three branching.mpg



Şekil. C nano tüpe fonksiyonel grupların bağlanması. Örnek

doku tamirinde kullanılabilir (Adale yırtılması)



Uzay Asansörü CNT

Amaç

– Yeryüzünden dünyanın yörüngesinde bir bölgeye

kurulan koloniye hat yapmak.

– Zamandan ve masraftan tasarruf etmek

Problem

– 100.000 kilometrelik yaklaşık uzunluk

– 20 tondan fazla ağırlıkta platforma kurmak



Uzay Asansörü



Tablo Karbon Nanotüplerin Karşılaştırmalı Özellikleri

Özellik Tek Katmanlı C nanotüp Diğer özellikte Malzemeler

Ebadı 0.6 - 1.8 nm çapında Elektron demeti ile 50nm x 5nm ebadında çizgiler oluşturulabilir

Yoğunluk 1.33 - 1.40 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 50 - 100 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 600 -1000 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



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.

2

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

3

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 10-1000

kat fazla. Nanotüp yüzeyleri fazla düzgün ve

pürüzsüz (arayüzey bağı çok zayıf). Matriksten

sıyrılıp kırılmaya yol açabiliyor.

0



•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

Nanotüplerin Gelecekte Düşünülen Kullanım Alanları

karbon nanotÜpler -...

Documents