Kiibiühenduste ja kõrgekvaliteediliste juhtivate materjalide uurimisel ja arendamisel on süsiniknanotorud pikka aega asetatud pjedestaalile. Kuid paljud insenerid, vaadates kirjanduses liialdatud andmeid, imestavad alati: kui kõrge on süsinik-nanotorude elektrijuhtivus ja elektronide liikuvus? Kuidas neid vase ja räniga võrrelda? Mõned väidavad, et nende juhtivus võib ületada hõbeda ja vase oma ning laastudes ületada räni. Aga kui nad ostavad pulbrit ja katsetavad, on vastupidavus uskumatult suur. CNT-de tegeliku elektrilise jõudluse mõistmiseks ei saa te absoluutselt võrrelda makroskoopilisi puistematerjale mikroskoopiliste üksikute torudega. Selle taga on jõhker mäng kvantpiirangu ja makroskoopilise hajutuse vahel. Täna kasutame raskeid andmeid, et see segaduse loor täielikult purustada.
1. Juhtivuse piir: kui juhtiv on ühe süsiniku nanotoru?
Ühe täiusliku-võre süsinik-nanotoru sisemine juhtivus võib ulatuda suurusjärku 10⁶ S/m ja tänu ballistilisele transpordimehhanismile võib selle voolutihedus ulatuda 10⁹ A/cm², mis on üle 1000 korra suurem kui vasel.
Uurides, kui kõrge on süsiniknanotorude elektrijuhtivus, peab eeldus olema selge: vaadake ühte toru. Miks on süsinik-nanotorud nii tugevad? Tuum seisneb ballistilises transpordis. Mitme mikromeetri pikkuses torus liiguvad elektronid nagu kuulid vaakumis ilma hajumiseta, kõrvaldades oomilise takistuse allika. Kuigi ühe toru teoreetiline juhtivus (~ 10⁶ S/m) on endiselt pisut madalam kui vase massil (5,96 × 10⁷ S/m), langeb vase voolutihedus nanomõõtmetes järsult tugeva pinnahajumise ja elektromigratsiooni mõju tõttu. Kuid CNT-d suudavad säilitada äärmise voolu-kandevõime 10⁹ A/cm² isegi väga väikeste liinilaiuste korral.
| Põhiline elektriindikaator | Ühe-seinaga süsiniknanotoru | Makroskoopiline metall vask |
|---|---|---|
| Sisemine juhtivus | 10⁵ - 10⁶ S/m | 5.96 × 10⁷ S/m |
| Maksimaalne voolu-kande tihedus | 10⁹ A/cm² | 10⁶ A/cm² (langeb nanomõõtmetes järsult) |
| Nanoskaala joonelaiuse takistus | Äärmiselt madal (ballistiline transport) | Äärmiselt kõrge (tugev pinnale hajumine) |
| Elektromigratsioonitõrke oht | Puudub (süsiniksidemed on mitteioonne{0}}migratsioon) | Raske (suure voolu korral kalduvus murduma) |
2. Elektronide liikuvus: miks võib see räni ülekaalukalt ületada?
Süsiniknanotorude elektronide liikuvus võib toatemperatuuril ületada 100 000 cm²/Vs, mis on üle 100 korra suurem kui üksikkristallilisel ränil. Tuum seisneb ühe-dimensioonilises kvantpiirangu efektis, mis muudab fononi hajumise äärmiselt nõrgaks.
Kui suur on süsinik-nanotorude elektronide liikuvus? See on süsinik{0}}põhiste kiipide kindlustunne, mis seab väljakutse räni domineerimisele. Räni on kolmemõõtmeline kristall. Kui elektronid seda läbivad, põrkuvad nad pidevalt võre vibratsiooniga (foonide hajumine) ja lisanditega, kinnitades liikuvuse toatemperatuuril umbes 1400 cm²/Vs. CNT-d on aga ühe-mõõtmelised torud; elektronid saavad liikuda ainult teljesuunaliselt ja ristsuunalised vabadusastmed on lukustatud. See kvantpiirang muudab elektronide fononi hajumise tõenäosuse äärmiselt väikeseks. Koos täiusliku sp²-võrega ületab ruumitemperatuuri liikuvus- kergesti 10⁵ cm²/Vs ja madalatel temperatuuridel võib ulatuda isegi suurusjärku 10⁶ cm²/Vs.
| Võtmepooljuhi parameeter | Üksik{0}}kristallräni | Süsiniknanotorud | Toimivuse mõjutamise mehhanism |
|---|---|---|---|
| Elektronide liikuvus | ~1400 cm²/Vs | >100 000 cm²/Vs | CNT-del on üks{0}}dimensioon, minimaalne hajumine |
| Aukude liikuvus | ~450 cm²/Vs | >100 000 cm²/Vs | CNT-del on suurepärane kandjasümmeetria |
| Tähendab vaba teed | Kümned nm | ~1 μm (ballistiline piirkond) | Määrab seadme lülituskiiruse ja soojuse tekke |
| Bandgapi omadused | 1,12 eV (fikseeritud) | 0–2 eV (muutub sõltuvalt läbimõõdust/kiraalsusest) | CNT-d nõuavad täpset läbimõõdu kontrolli |
3. Juhtivuse võrdlemine vasega: kas vase asendamine makroskoopilistes rakendustes on tõeline või vale väide?
Makroskoopiliste kaablite ja elektroodide lehtkatte tasandil piiravad süsinik-nanotorusid torudevaheline kontakttakistus ja väike tihendustihedus, mistõttu on nende makroskoopiline juhtivus vase omast palju halvem. Kuid nende ülikerge kaal annab neile võrratu erijuhtivuse eelise.
Kuigi üksiku süsiniknanotoru juhtivus on hämmastav, valmistavad need andmed pärast makroskoopiliseks kileks või plastikule lisamist pettumust. Kuidas süsinik-nanotorud vasega võrreldavad? Makroskoopiline massiline vask on ühendatud tihedate metallsidemetega, samas kui CNT-kiled moodustavad lugematu arv kattuvaid torusid. Iga kord, kui elektronid liiguvad ühest torust teise, peavad nad ületama tohutu kontakttakistuse (tunnelbarjääri). Koos tõsiasjaga, et CNT tihedus on vaid 1,3 g/cm³, mis on palju madalam kui vase tihedus 8,9 g/cm³, on tühimike suhe äärmiselt kõrge. Kuid sellistes valdkondades nagu lennundus, mis on kaalu suhtes äärmiselt tundlikud, vaadates "juhtivust massiühiku kohta" (erijuhtivus), edestavad CNT-d tunduvalt vasest.
| Makroskoopilise materjali parameeter | Bulk Metal Vask | Joondatud süsiniknanotoru kiud/kile | Mõõdetud võrdluse järeldus |
|---|---|---|---|
| Makroskoopiline ruumalajuhtivus | 5.96 × 10⁷ S/m | 10⁴ - 10⁵ S/m (kõrgeim 10⁶ lähedal) | Vask domineerib absoluutselt (kontakttakistus hoiab CNT-sid tagasi) |
| Materjali tihedus | 8,96 g/cm³ | 1.3 - 1.5 g/cm³ | CNT-d on ligikaudu 6,5 korda kergemad |
| Erijuhtivus (juhtivus/tihedus) | 6,6 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | >7 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | Optimeeritud CNT-kiu erijuhtivus ületab juba vase |
| Painduvus/painutuskindlus | Äärmiselt halb (kõveneb ja puruneb kergesti) | Suurepärane (talub kümneid tuhandeid painutusi) | Ainus lahendus kantavatele ja paindlikele vooluringidele |
Andmete viide: Shandongi Tanfengi uue materjali kasutamise uurimis- ja arenduskeskuse makroskoopiliste CNT-kiudude elektromehaanilise jõudluse testimine.
4. Arvutusvõimsuse võrdlemine räniga: millal häirivad süsinik{1}}põhised kiibid räniajastut?
Ultra-elektronide ülisuure liikuvuse ja ülimadala energiatarbimisega on süsiniknanotorudel teoreetiliselt potentsiaali lõpetada räni Moore'i seaduse ajastu. Kiraalsuse kontrolli ja täpse joondamise protsessi lünk hoiab neid aga laboratoorses etapis kinni.
Kuidas on süsinik-nanotorud võrreldavad räniga? Kui vaadata ainult jõudlusnäitajaid (mobiilsust), jätavad CNT-d räni tolmu sisse. Kuid pooljuhtide tööstuses ei nõua transistoride valmistamine mitte ainult suurt kiirust, vaid ka suurt sisse- ja väljalülitussuhet (st väljalülitatud -olekuvool peab olema äärmiselt väike). Ränil on fikseeritud ribalaius, samas kui CNT-de ribalaius sõltub kiraalsusest (kuidas neid rullitakse). Kui pooled sünteesi tulemustest on metallilised (ei juhtiv ega isoleeriv) ja pooled pooljuhtivad, on kiip rikutud. Praegu ei suuda ükski tootja maailmas saavutada 100% puhtalt pooljuht-CNT-de täpset joondust{7}. See on peamine põhjus, miks süsinikupõhised kiibid on väga kiidetud, kuid mitte äriliselt edukad.
5. Tootja läbimurre: kuidas Shandong Tanfeng pakub CNT-de ülimat elektrilist potentsiaali?
Sellise allikatootja valimine nagu Shandong Tanfeng, kes valdab kõrge -puhtusastmega sünteesi ja-eelse hajutamise põhitehnoloogiaid, on optimaalne lahendus, et ületada elektrilise jõudluse kadu mikroskoopilisest makroskoopiliseks ning saavutada akude ja komposiitmaterjalide kõrge juhtivus.
Üksikute CNT-de juhtivus on hämmastav, kuid kui need teie kätte jõuavad, siis nad ei juhi. Algpõhjus peitub "torudevahelises-kontakti takistuses" ja "kõvas aglomeratsioonis". Professionaalse CNT-tootjana aitab Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. põhiprotsessitehnoloogia abil teil elektrilist jõudlust maksimeerida:
Ultra-Kõrge puhtusastmega lisandi eemaldamine:Jääkmetallkatalüsaatorid on süüdlased, mis põhjustavad lekkeid ja elektronide hajumist. Shandong Tanfeng kasutab alla 20 ppm metallijääkide kontrollimiseks spetsiaalseid puhastusprotsesse, kõrvaldades kõik mittesisemised elektritõkked.
Põimumiskindluse vähendamine:Tugev aglomeratsioon põhjustab torudevahelise{0}}kontaktpinna lähenemise nullile, mistõttu kontakttakistus tõuseb taevasse. Shandong Tanfeng kasutab patenteeritud in{2}}situ de-põimumistehnoloogiat, et muuta pulber kohevaks ja kergesti märguvaks, võimaldades nanomõõtmelist levikut ülimadala nihkejõu korral. Mõõdetud tulemused näitavad elektroodilehtede makroskoopilise kontakttakistuse olulist vähenemist, kusjuures DCR vähenemine ületab 40%.
Kohandatud kõrge{0}}juhtivusega pasta:Torudevahelise tõkke{0}}täielikuks purustamiseks pakub Shandong Tanfeng NMP/vee-põhiseid eeldispergeeritud pastasid. Pinna modifitseerimise ja suure-rõhuga de-aglomeratsiooni abil saavutavad tõeliselt üksikud-dispergeeritud CNT-d maatriksis sujuvalt joont-joont-kattuvad, peenusega D90<5 μm, truly translating the microscopic advantage of ballistic transport into macroscopic high conductivity at extremely low addition amounts in electrode sheets and conductive plastics.
Järeldus
Lähtepunkti juurde tagasi tulles, kui kõrge on süsinik-nanotorude elektrijuhtivus ja elektronide liikuvus? Ühe toru sisemistest andmetest piisab, et vask ja räni võrreldes kahvatuks muuta. See on mõõtmete vähendamise streik, mille annab kvantfüüsika. Kuid makroskoopilistes rakendustes, võrreldes vasega, on see mahujuhtivuse osas endiselt ebasoodsamas olukorras; võrreldes räniga kiibi valmistamise osas on protsessis endiselt tühimik. Mikroskoopilise tugevuse ja makroskoopilise kadu vahelise lõhe äratundmine on inseneridele oluline õppetund. Selle lünga täitmiseks on allikatootja, nagu Shandong Tanfeng, kõrge -puhtusastme,-põimumise ja hajutamisesüsinik-nanotorudteie tootmisliinil.