В изследването и разработването на връзки за чипове и проводими материали от висок{0}}клас въглеродните нанотръби отдавна са поставени на пиедестал. Но много инженери, гледайки преувеличените данни в литературата, винаги се чудят: колко висока е електрическата проводимост и подвижността на електроните на въглеродните нанотръби? Как се сравняват с медта и силиция? Някои казват, че тяхната проводимост може да надмине среброто и медта и могат да надминат силиция в чипове. Но когато купуват пудра и я тестват, устойчивостта е невероятно висока. За да разберете истинската електрическа производителност на CNT, абсолютно не можете директно да сравнявате макроскопични насипни материали с микроскопични отделни тръби. Зад това се крие бруталната игра между квантовото ограничение и макроскопичната дисперсия. Днес ще използваме твърди данни, за да разбием напълно това було от объркване.
1. Граница на проводимост: Колко проводима е една въглеродна нанотръба?
Вътрешната проводимост на една единствена перфектна -решетъчна въглеродна нанотръба може да достигне от порядъка на 10⁶ S/m, а поради балистичния транспортен механизъм нейната-плътност на тока може да достигне 10⁹ A/cm², повече от 1000 пъти по-висока от тази на медта.
Когато изследваме колко висока е електрическата проводимост на въглеродните нанотръби, предпоставката трябва да е ясна: погледнете една тръба. Защо въглеродните нанотръби са толкова здрави? Ядрото е в балистичния транспорт. В рамките на тръба с дължина от няколко микрометра, електроните се движат като куршуми във вакуум без никакво разсейване, елиминирайки източника на омично съпротивление. Въпреки че теоретичната проводимост на единична тръба (~10⁶ S/m) все още е малко по-ниска от тази на насипната мед (5,96 × 10⁷ S/m), плътността на тока на медта пада рязко в наномащаба поради силно повърхностно разсейване и ефекти на електромиграция. Въпреки това, CNT могат да поддържат екстремна-носеща способност от 10⁹ A/cm² дори при изключително фини ширини на линиите.
| Ключов електрически индикатор | Въглеродна нанотръба- с една стена | Макроскопична метална мед |
|---|---|---|
| Вътрешна проводимост | 10⁵ - 10⁶ S/m | 5.96 × 10⁷ S/m |
| Максимална{0}}носеща плътност на тока | 10⁹ A/cm² | 10⁶ A/cm² (спада рязко в наномащаб) |
| Наномащабно съпротивление на широчина на линията | Изключително ниско (балистичен транспорт) | Изключително високо (тежко повърхностно разсейване) |
| Риск от повреда на електромиграцията | Няма (въглеродните връзки са не{0}}йонна миграция) | Тежка (податлива на счупване при силен ток) |
2. Електронна мобилност: защо може да надмине в голяма степен силиция?
Електронната подвижност на въглеродните нанотръби може да надхвърли 100 000 cm²/Vs при стайна температура, повече от 100 пъти по-висока от монокристалния силиций. Ядрото се крие в едно-ефекта на квантово ограничаване, който прави фононното разсейване изключително слабо.
Колко висока е подвижността на електроните на въглеродните нанотръби? Това е увереността зад базираните на въглерод -чипове, предизвикващи господството на силиция. Силицият е три{2}}измерен кристал. Когато електроните пътуват през него, те постоянно се сблъскват с вибрации на решетката (фононно разсейване) и примеси, закрепвайки подвижността на около 1400 cm²/Vs при стайна температура. CNT обаче са-едноизмерни тръби; електроните могат да се движат само аксиално, а напречните степени на свобода са заключени. Това квантово ограничаване прави изключително ниска вероятността електроните да се натъкнат на фононно разсейване. В комбинация с перфектната sp² решетка подвижността при стайна -температура лесно надхвърля 10⁵ cm²/Vs, а при ниски температури може дори да достигне от порядъка на 10⁶ cm²/Vs.
| Ключов полупроводников параметър | Единичен-кристален силиций | Въглеродни нанотръби | Механизъм за въздействие върху ефективността |
|---|---|---|---|
| Подвижност на електрони | ~1400 cm²/Vs | >100 000 cm²/Vs | CNT имат едно-измерно ограничение, минимално разсейване |
| Подвижност на дупки | ~450 cm²/Vs | >100 000 cm²/Vs | CNT имат отлична симетрия на носителя |
| Среден свободен път | Десетки nm | ~1 μm (балистична област) | Определя скоростта на превключване на устройството и генерирането на топлина |
| Bandgap Характеристики | 1,12 eV (фиксиран) | 0~2 eV (варира в зависимост от диаметъра/хиралността) | CNT изискват прецизен контрол на диаметъра |
3. Сравняване на проводимостта с мед: Замяната на мед в макроскопични приложения истинско предложение ли е или невярно?
На ниво макроскопични кабели и електродни листови покрития, въглеродните нанотръби са ограничени от съпротивлението на контакт между -тръбите и ниска плътност на опаковката, което прави тяхната макроскопична проводимост далеч по-ниска от тази на медта. Ултра-лекото им тегло обаче им дава несравнимо предимство в специфичната проводимост.
Въпреки че проводимостта на отделна въглеродна нанотръба е удивителна, след като бъде направена в макроскопичен филм или добавена към пластмаса, данните стават разочароващи. Как се сравняват въглеродните нанотръби с медта? Макроскопичната насипна мед е свързана с плътни метални връзки, докато CNT филмите се образуват от безброй припокриващи се тръби. Всеки път, когато електроните преминават от една тръба в друга, те трябва да преодолеят огромно контактно съпротивление (тунелна бариера). В съчетание с факта, че плътността на CNT е само 1,3 g/cm³, много по-ниска от 8,9 g/cm³ на медта, коефициентът на празнота е изключително висок. Въпреки това, в области като космическата промишленост, които са изключително чувствителни към теглото, гледайки "проводимостта на единица маса" (специфична проводимост), CNT далеч превъзхождат медта.
| Макроскопичен материален параметър | Насипна метална мед | Подравнени въглеродни нанотръбни влакна/филм | Измерено сравнение Заключение |
|---|---|---|---|
| Макроскопична обемна проводимост | 5.96 × 10⁷ S/m | 10⁴ - 10⁵ S/m (най-високата близо до 10⁶) | Медта абсолютно доминира (контактното съпротивление задържа CNT) |
| Плътност на материала | 8,96 g/cm³ | 1.3 - 1.5 g/cm³ | CNT са приблизително 6,5 пъти по-леки |
| Специфична проводимост (проводимост/плътност) | 6,6 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | >7 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | Оптимизираната специфична проводимост на CNT влакна вече надвишава медта |
| Гъвкавост/Устойчивост на огъване | Изключително лошо (лесно се втвърдява и счупва) | Отличен (издържа на десетки хиляди огъвания) | Единственото решение за носими и гъвкави вериги |
Референтни данни: Shandong Tanfeng New Material Application R&D Center изпитване на електромеханични характеристики на макроскопични CNT влакна.
4. Сравнение на изчислителната мощност със силиция: Кога базираните на въглерод-чипове ще нарушат силициевата ера?
Със свръх-висока подвижност на електрони и изключително ниска консумация на енергия, въглеродните нанотръби теоретично имат потенциала да сложат край на ерата на силициевия закон на Мур. Въпреки това, празнината в процеса в контрола на хиралността и прецизното подравняване ги държи блокирани в лабораторния етап.
Как се сравняват въглеродните нанотръби със силиция? Ако погледнете само резултатите от производителността (мобилност), CNT оставят силиций в прахта. Но в полупроводниковата индустрия производството на транзистори изисква не само висока скорост, но и голямо „съотношение вкл./изкл.“ (т.е. токът на изключено-състояние трябва да е изключително малък). Силицият има фиксирана ширина на обхвата, докато ширината на обхвата на CNT зависи от хиралността (как се навиват). Ако половината от резултатите от синтеза са метални (нито проводими, нито изолиращи), а половината са полупроводникови, чипът е разрушен. Понастоящем нито един производител в света не може да постигне прецизно подравняване-ниво на пластини на 100% чисто полупроводникови CNT. Това е основната причина, поради която базираните на въглерод{10}}чипове са високо хвалени, но не и търговски успешни.
5. Пробив на производителя: Как Shandong Tanfeng предоставя върховния електрически потенциал на CNTs?
Изборът на производител на източници като Shandong Tanfeng, който владее основните технологии за синтез с висока-чистота и пред-дисперсия, е оптималното решение за преодоляване на разликата в загубата на електрическа ефективност от микроскопични към макроскопични и за реализиране на висока проводимост в батерии и композитни материали.
Проводимостта на отделните CNTs е удивителна, но щом стигнат до ръцете ви, те не провеждат. Основната причина се крие в „съпротивлението на контакт между-тръбите“ и „твърдата агломерация“. Като професионален производител на CNT, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd., чрез фундаментална технология на процеса, ви помага да увеличите максимално електрическите характеристики:
Отстраняване на примеси с ултра{0}}висока чистота:Остатъчните метални катализатори са виновниците, причиняващи изтичане и разсейване на електрони. Shandong Tanfeng използва специализирани процеси на пречистване за контролиране на метални остатъци под 20 ppm, елиминирайки всички не-присъщи електрически бариери.
На-на място де-намаляване на устойчивостта на заплитане:Твърдата агломерация води до доближаване на контактната площ между -тръбите до нула, причинявайки резистентност на контакта. Shandong Tanfeng използва патентована in{2}}situ de-технология за заплитане, за да направи пудрата пухкава и лесно намокряща се, което позволява наномащабно разпространение при изключително ниско срязване. Измерените резултати показват значително намаляване на макроскопичното контактно съпротивление на електродните листове, като намаляването на DCR надвишава 40%.
Персонализирана паста с висока{0}}проводимост:За да разруши напълно бариерата между-тръбите, Shandong Tanfeng предоставя предварително диспергирани пасти на базата на NMP/-вода. Чрез повърхностна модификация и де-агломерация под високо-налягане, наистина единичните-диспергирани CNTs постигат безпроблемно припокриване „линия-до-линия в матрицата, с финост 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
Връщайки се към началната точка, колко висока е електрическата проводимост и подвижността на електроните на въглеродните нанотръби? Вътрешните данни на една тръба са достатъчни, за да направят медта и силиция бледи в сравнение. Това е стачка за намаляване на размерността, предоставена от квантовата физика. Но в макроскопични приложения, в сравнение с медта по отношение на обемната проводимост, той все още е в неизгодно положение; в сравнение със силиция по отношение на производството на чипове, все още има празнина в процеса. Разпознаването на разликата между микроскопичната якост и макроскопичната загуба е важен урок за инженерите. За да се запълни тази празнина, разчитането на висока-чистота, де-заплитане и пред-дисперсионни технологии на производител на източници като Shandong Tanfeng е единственият начин наистина да се доставят най-добрите електрически данни навъглеродни нанотръбина вашата производствена линия.