Насколько высока электропроводность и подвижность электронов углеродных нанотрубок?

В исследованиях и разработках межсоединений микросхем и-высококачественных проводящих материалов углеродные нанотрубки уже давно занимают лидирующие позиции. Но многие инженеры, глядя на преувеличенные данные в литературе, всегда задаются вопросом: насколько высока электропроводность и подвижность электронов у углеродных нанотрубок? Как они соотносятся с медью и кремнием? Некоторые говорят, что их проводимость может превосходить серебро и медь, а также превосходить кремний в чипах. Но когда они покупают порошок и тестируют его, сопротивление оказывается невероятно высоким. Чтобы понять истинные электрические характеристики УНТ, вы абсолютно не можете напрямую сравнивать макроскопические объемные материалы с микроскопическими отдельными трубками. За этим стоит жестокая игра между квантовым ограничением и макроскопической дисперсией. Сегодня мы будем использовать достоверные данные, чтобы полностью разрушить эту завесу путаницы.

1. Предел проводимости: насколько проводящей является одиночная углеродная нанотрубка?

Собственная проводимость одной идеальной-решетчатой ​​углеродной нанотрубки может достигать порядка 10⁶ См/м, а благодаря механизму баллистического переноса ее плотность переноса тока-может достигать 10⁹ А/см², что более чем в 1000 раз превышает плотность меди.

При изучении того, насколько высока электропроводность углеродных нанотрубок, предпосылка должна быть ясна: посмотрите на одну трубку. Почему углеродные нанотрубки такие прочные? Суть заключается в баллистическом транспорте. В трубке длиной в несколько микрометров электроны движутся, как пули в вакууме, без всякого рассеяния, устраняя источник омического сопротивления. Хотя теоретическая проводимость одиночной трубки (~ 10⁶ См/м) все еще немного ниже, чем у массивной меди (5,96×10⁷ См/м), плотность тока меди резко падает на наноуровне из-за сильного поверхностного рассеяния и эффектов электромиграции. Однако УНТ могут выдерживать экстремальную допустимую нагрузку по току-до 10⁹ А/см² даже при очень тонкой ширине линии.

2. Мобильность электронов: почему она превосходит кремний?

Подвижность электронов углеродных нанотрубок может превышать 100 000 см²/Вс при комнатной температуре, что более чем в 100 раз превышает подвижность монокристаллического кремния. Суть заключается в одномерном эффекте квантового ограничения, который делает рассеяние фононов чрезвычайно слабым.

Насколько высока подвижность электронов в углеродных нанотрубках? Именно эта уверенность стоит за чипами на основе углерода-, бросающими вызов доминированию кремния. Кремний — трехмерный кристалл. Когда электроны проходят через него, они постоянно сталкиваются с колебаниями решетки (рассеяние фононов) и примесями, фиксируя подвижность примерно на уровне 1400 см²/Вс при комнатной температуре. Однако УНТ представляют собой одномерные трубки; электроны могут двигаться только в осевом направлении, а поперечные степени свободы заблокированы. Это квантовое ограничение делает вероятность того, что электроны столкнутся с рассеянием фононов, чрезвычайно низкой. В сочетании с идеальной решеткой sp² подвижность при комнатной-температуре легко превышает 10⁵ см²/Вс, а при низких температурах может даже достигать порядка 10⁶ см²/Вс.

3. Сравнение проводимости с медью: замена меди в макроскопических приложениях — реальное предложение или ложное?

На уровне макроскопических кабелей и покрытий электродных листов углеродные нанотрубки ограничены меж-контактным сопротивлением и низкой плотностью упаковки, что делает их макроскопическую проводимость намного хуже, чем у меди. Однако их сверх-легкий вес дает им беспрецедентное преимущество в удельной проводимости.

Хотя проводимость отдельной углеродной нанотрубки поразительна, если ее превратить в макроскопическую пленку или добавить в пластик, данные становятся разочаровывающими. Чем углеродные нанотрубки отличаются от меди? Макроскопическая объемная медь соединена плотными металлическими связями, а пленки УНТ образованы бесчисленными перекрывающимися трубками. Каждый раз, когда электроны переходят из одной трубки в другую, им приходится преодолевать огромное контактное сопротивление (туннельный барьер). В сочетании с тем фактом, что плотность УНТ составляет всего 1,3 г/см³, что намного ниже, чем у меди (8,9 г/см³), коэффициент пустотности чрезвычайно высок. Однако в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, которые чрезвычайно чувствительны к весу, с точки зрения «проводимости на единицу массы» (удельной проводимости) УНТ намного превосходят медь.

Ссылка на данные: Шаньдунский научно-исследовательский центр по применению новых материалов Танфэн проводит электромеханические испытания макроскопических волокон УНТ.

4. Сравнение вычислительной мощности с кремниевыми: когда чипы на основе углерода- нарушат эру кремния?

Обладая сверх-высокой подвижностью электронов и чрезвычайно низким энергопотреблением, углеродные нанотрубки теоретически могут положить конец эпохе кремниевых законов Мура. Однако технологический разрыв в контроле киральности и точном выравнивании удерживает их на лабораторной стадии.

Чем углеродные нанотрубки отличаются от кремния? Если вы посмотрите только на показатели производительности (мобильности), УНТ оставят кремний в пыли. Но в полупроводниковой промышленности изготовление транзисторов требует не только высокой скорости, но и большого «коэффициента включения/выключения» (т. е. ток в выключенном состоянии должен быть чрезвычайно мал). Кремний имеет фиксированную запрещенную зону, тогда как ширина запрещенной зоны УНТ зависит от киральности (того, как они свернуты). Если половина результатов синтеза — металлические (не проводящие и не изолирующие), а половина — полупроводниковые, чип испорчен. В настоящее время ни один производитель в мире не может добиться точного выравнивания-на уровне пластины 100% чисто полупроводниковых УНТ. Это основная причина, по которой чипы на основе углерода- столь высоко ценятся, но не имеют коммерческого успеха.

5. Прорыв в производстве: как Shandong Tanfeng реализует максимальный электрический потенциал УНТ?

Выбор производителя источника, такого как Shandong Tanfeng, который владеет основными технологиями синтеза высокой-чистоты и предварительного-диспергирования, является оптимальным решением, позволяющим сократить разрыв в потерях электрических характеристик от микроскопических до макроскопических и реализовать высокую проводимость в батареях и композитных материалах.

Проводимость отдельных УНТ поразительна, но как только они попадают в ваши руки, они перестают проводить ток. Основная причина кроется в «контактном сопротивлении между-трубками» и «жесткой агломерации». Являясь профессиональным производителем УНТ, компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. с помощью фундаментальных технологических процессов помогает вам максимизировать электрические характеристики:

Ультра-удаление примесей с высокой степенью чистоты:Остаточные металлические катализаторы являются виновниками утечки и рассеяния электронов. Компания Shandong Tanfeng использует специальные процессы очистки для контроля содержания остатков металлов ниже 20 частей на миллион, устраняя все не-собственные электрические барьеры.

Снижение сопротивления запутыванию на-месте-:В результате жесткой агломерации площадь контакта между-трубками приближается к нулю, что приводит к резкому увеличению контактного сопротивления. Компания Shandong Tanfeng использует запатентованную технологию -распутывания-спутывания на месте, чтобы сделать порошок рыхлым и легко смачиваемым, что позволяет распределять его на наноуровне при чрезвычайно низком усилии сдвига. Результаты измерений показывают значительное снижение макроскопического контактного сопротивления электродных листов, при этом снижение DCR превышает 40%.

Индивидуальная паста с высокой-проводимостью:Чтобы полностью разрушить межтрубный барьер, компания Shandong Tanfeng предлагает предварительно диспергированные пасты на основе NMP и воды-на-. Благодаря модификации поверхности и агломерации под высоким-давлением-по-настоящему одиночные-дисперсные УНТ достигают бесшовного перекрытия "линия-к-линии" в матрице с крупностью 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.

Заключение

Возвращаясь к исходной точке, насколько высоки электропроводность и подвижность электронов углеродных нанотрубок? Собственных данных одной трубки достаточно, чтобы медь и кремний бледнели по сравнению с ними. Это удар по уменьшению размерности, предоставленный квантовой физикой. Но в макроскопических приложениях по сравнению с медью с точки зрения объемной проводимости она все еще находится в невыгодном положении; по сравнению с кремнием с точки зрения производства чипов все еще существует технологический разрыв. Осознание разницы между микроскопической прочностью и макроскопическими потерями является важным уроком для инженеров. Чтобы восполнить этот пробел, полагаться на технологии высокой-чистоты, устранения-спутывания и предварительного-диспергирования такого производителя источников, как Shandong Tanfeng, – это единственный способ действительно предоставить точные электрические данныеуглеродные нанотрубкина вашей производственной линии.