Í rannsóknum og þróun á samtengingum flísa og hágæða leiðandi efnum hefur kolefnisnanorör lengi verið sett á stall. En margir verkfræðingar, sem horfa á ýkt gögn í bókmenntum, velta því alltaf fyrir sér: hversu há er rafleiðni og rafeindahreyfanleiki kolefnis nanóröra? Hvernig bera þau saman við kopar og sílikon? Sumir segja að leiðni þeirra geti farið fram úr silfri og kopar og að þeir geti staðið sig betur en sílikon í flögum. En þegar þeir kaupa duft og prófa það er mótspyrnan ótrúlega mikil. Til að skilja hið sanna rafmagnsframmistöðu CNT geturðu alls ekki borið saman stórsæ efni í magni beint við smásæ einstök rör. Á bak við þetta liggur hinn grimmilegi leikur á milli skammtavistar og stórsæislegrar dreifingar. Í dag munum við nota harðkjarnagögn til að brjóta algjörlega þessa hulu ruglsins.
1. Leiðnimörk: Hversu leiðandi er stakt kolefnis nanórör?
Innri leiðni eins fullkomins-kolefnisnanórörs í grindar getur náð stærðargráðunni 10⁶ S/m, og vegna kúluflutningskerfisins getur straum-flutningsþéttleiki þess náð 10⁹ A/cm², meira en 1.000 sinnum meiri en kopar.
Þegar kannað er hversu há rafleiðni kolefnis nanóröra er, verður forsendan að vera skýr: Horfðu á eitt rör. Af hverju eru kolefnis nanórör svona sterk? Kjarninn liggur í ballistic flutningum. Innan nokkurra míkrómetra rörlengdar ferðast rafeindir eins og byssukúlur í lofttæmi án þess að dreifist, og útilokar uppsprettu ohmískrar viðnáms. Þrátt fyrir að fræðileg leiðni eins rörs (~10⁶ S/m) sé enn aðeins lægri en magn kopars (5,96×10⁷ S/m), þá lækkar straumþéttleiki kopars verulega á nanóskala vegna alvarlegrar yfirborðsdreifingar og rafflutningsáhrifa. Hins vegar geta CNTs viðhaldið mikilli-straumflutningsgetu upp á 10⁹ A/cm² jafnvel við mjög fína línubreidd.
| Lykill rafmagnsvísir | Einn-Walled Carbon Nanotube | Macroscopic Metal Kopar |
|---|---|---|
| Innri leiðni | 10⁵ - 10⁶ S/m | 5.96 × 10⁷ S/m |
| Hámarksstraumur-flutningsþéttleiki | 10⁹ A/cm² | 10⁶ A/cm² (lækkar mikið á nanóskala) |
| Línubreiddarþol á nanóskala | Mjög lágt (ballistic flutningur) | Mjög hátt (alvarleg yfirborðsdreifing) |
| Hætta á bilun í rafflutningi | Engin (kolefnistengi eru ó-jónísk flæði) | Alvarlegt (viðkvæmt fyrir beinbrotum við mikinn straum) |
2. Hreyfanleiki rafeinda: Hvers vegna getur það farið yfir sílikon að miklu leyti?
Rafeindahreyfanleiki kolefnisnanoröra getur farið yfir 100.000 cm²/Vs við stofuhita, meira en 100 sinnum meiri en eins-kísils. Kjarninn er fólginn í einvíddar-skammtalokunaráhrifum, sem gerir hljóðdreifingu afar veik.
Hversu mikill er rafeindahreyfanleiki kolefnis nanóröra? Þetta er sjálfstraustið á bak við kolefnis-flögur sem ögra yfirburði kísils. Kísill er þriggja-víddar kristal. Þegar rafeindir ferðast í gegnum það rekast þær stöðugt á titring í grindunum (fónóndreifingu) og óhreinindum og festa hreyfanleikann við um 1400 cm²/Vs við stofuhita. CNT eru hins vegar einvíddar rör; rafeindir geta aðeins hreyft sig áslega og þverfrelsisgráðurnar eru læstar. Þessi skammtatakmörkun gerir líkurnar á því að rafeindir lendi í hljóðdreifingu mjög litlar. Ásamt fullkomnu sp² grindunum fer hreyfanleiki í herbergishita auðveldlega yfir 10⁵ cm²/Vs og við lágt hitastig getur hún jafnvel náð stærðargráðunni 10⁶ cm²/Vs.
| Lykill hálfleiðara færibreyta | Einkristal sílikon.- | Kolefni nanórör | Frammistöðuáhrifakerfi |
|---|---|---|---|
| Hreyfanleiki rafeinda | ~1400 cm²/vs | >100.000 cm²/vs | CNT eru með einvíddar-einangrun, lágmarksdreifingu |
| Hole Mobility | ~450 cm²/vs | >100.000 cm²/vs | CNTs hafa framúrskarandi burðarsamhverfu |
| Mean Free Path | Tugir nm | ~1 μm (ballistic svæði) | Ákveður skiptihraða tækisins og hitamyndun |
| Bandgap einkenni | 1.12 eV (fast) | 0~2 eV (breytilegt eftir þvermáli/háttleika) | CNTs krefjast nákvæmrar þvermálsstýringar |
3. Samanburður á leiðni við kopar: Er það að skipta um kopar í stórskópískum forritum raunveruleg tillaga eða röng tillaga?
Á stigi stórsæja kapla og rafskautsplötuhúðunar eru kolefnisnanorör takmörkuð af snertiviðnámi milli-röra og lágum pökkunarþéttleika, sem gerir stórsæja leiðni þeirra mun lakari en kopar. Hins vegar, ofur-létt þyngd þeirra gefur þeim óviðjafnanlega sérstaka leiðnikosti.
Þrátt fyrir að leiðni einstakra kolefnis nanórörs sé ótrúleg, þegar hún er gerð í stórsæja filmu eða bætt við plast, verða gögnin vonbrigði. Hvernig eru kolefnis nanórör samanborið við kopar? Stórsæ kopar er tengdur með þéttum málmtengjum en CNT kvikmyndir myndast af óteljandi rörum sem skarast. Í hvert sinn sem rafeindir fara frá einu röri í annað verða þær að yfirstíga mikla snertiviðnám (göng hindrun). Samhliða þeirri staðreynd að CNT þéttleiki er aðeins 1,3 g/cm³, mun lægri en kopar er 8,9 g/cm³, er tómahlutfallið mjög hátt. Hins vegar, á sviðum eins og geimferðum, sem eru afar viðkvæm fyrir þyngd, þegar litið er á "leiðni á massaeiningu" (sérstök leiðni), eru CNTs mun betri en kopar.
| Makrósópísk efnisfæribreyta | Magn málmur kopar | Samræmd kolefni nanórör trefjar/filma | Mældur samanburður Niðurstaða |
|---|---|---|---|
| Stórskópísk bindileiðni | 5.96 × 10⁷ S/m | 10⁴ - 10⁵ S/m (hæsta nálægt 10⁶) | Kopar alls ráðandi (snertiviðnám heldur CNTs aftur) |
| Efnisþéttleiki | 8,96 g/cm³ | 1.3 - 1.5 g/cm³ | CNT eru um það bil 6,5 sinnum léttari |
| Sérstök leiðni (leiðni/þéttleiki) | 6,6 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | >7 × 10⁶ S·cm³/(m·g) | Bjartsýni CNT trefja sértæk leiðni fer nú þegar yfir kopar |
| Sveigjanleiki/beygjuþol | Mjög léleg (harðnar auðveldlega og brotnar) | Frábært (þolir tugþúsundir beygjur) | Eina lausnin fyrir wearables og sveigjanlega hringrás |
Gagnatilvísun: Shandong Tanfeng Nýtt efnisumsókn R&D Center rafvélræn frammistöðuprófun á stórsæjum CNT trefjum.
4. Samanburður á tölvuorku við kísil: Hvenær munu kolefnis-flögur trufla kísiltímabilið?
Með ofur-mikilli rafeindahreyfanleika og afar lítilli orkunotkun hafa kolefnisnanorör fræðilega möguleika á að binda enda á kísiltímabil Moores lögmáls. Hins vegar, ferli bilið í chirality stjórnun og nákvæma röðun heldur þeim fast á rannsóknarstofu stigi.
Hvernig eru kolefnis nanórör samanborið við sílikon? Ef þú lítur aðeins á árangursstig (hreyfanleika), skilja CNTs eftir sílikon í rykinu. En í hálfleiðaraiðnaðinum krefst þess að búa til smára ekki aðeins háhraða heldur einnig stórt „kveikja/slökkt hlutfall“ (þ.e. slökkt-straumur verður að vera mjög lítill). Kísill hefur fastan bandbil, en bandbil CNTs fer eftir chirality (hvernig þeim er rúllað). Ef helmingur myndunarniðurstaðna er málmkenndur (hvorki leiðandi né einangrandi) og helmingur er hálfleiðandi, eyðileggst flísinn. Eins og er getur enginn framleiðandi í heiminum náð nákvæmri jöfnun á flísum-stigs 100% eingöngu hálfleiðandi CNT. Þetta er grundvallarástæðan fyrir því að kolefnis-undirstaða flís er mikið lofuð en ekki árangursrík í viðskiptalegum tilgangi.
5. Bylting framleiðanda: Hvernig skilar Shandong Tanfeng fullkomnum rafmagnsmöguleikum CNTs?
Að velja upprunaframleiðanda eins og Shandong Tanfeng sem hefur vald á kjarnatækninni með mikilli-hreinleikamyndun og for-dreifingu er ákjósanlega lausnin til að brúa rafgetu tapsbilið frá smásjá til stórsæis og til að átta sig á mikilli leiðni í rafhlöðum og samsettum efnum.
Leiðni einstakra CNTs er ótrúleg, en þegar þeir ná höndum þínum, leiða þeir ekki. Orsökin liggur í "snertiþoli milli-röra" og "harðri þéttingu." Sem faglegur CNT framleiðandi hjálpar Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd., með grundvallarferlistækni, þér að hámarka rafafköst:
Mjög-Fjarlæging óhreininda með miklum hreinleika:Afgangsmálmhvatar eru sökudólgarnir sem valda leka og rafeindadreifingu. Shandong Tanfeng notar sérhæfða hreinsunarferla til að stjórna málmleifum undir 20 ppm og útilokar allar ó-eiginlegar rafmagnshindranir.
In-Situ De-Entanglement Resistance Reduction:Hörð þétting veldur því að snertiflöturinn á milli-röranna nálgast núll, sem veldur því að snertiviðnám eykst. Shandong Tanfeng notar sérhæfða in-situ de-flækjutækni til að gera duftið dúnkennt og auðvelt að bleyta, sem gerir kleift að dreifa sér á nanóskala við mjög litla klippingu. Mældar niðurstöður sýna marktæka minnkun á stórsæju snertiviðnám rafskautsplata, með DCR minnkun yfir 40%.
Sérsniðin há-leiðnilíma:Shandong Tanfeng útvegar NMP/vatns-undirstaða for-dreifð deig til að brjóta algjörlega niður -rörhindrunina. Með breytingum á yfirborði og háum-þrýstingslosun-samþjöppunar ná hinir raunverulegu staku-dreifðu CNT "línu-til-línu" óaðfinnanlega skörun í fylkinu, með fínleika 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.
Niðurstaða
Ef við snúum aftur að upphafspunktinum, hversu há er rafleiðni og rafeindahreyfanleiki kolefnis nanóröra? Innri gögn eins rörs nægja til að kopar og sílikon verði ljós í samanburði. Þetta er verkfall til minnkandi víddar sem skammtaeðlisfræðin veitir. En í stórsæja notkun, samanborið við kopar hvað varðar rúmmálsleiðni, er það enn í óhag; samanborið við kísil hvað varðar flísaframleiðslu, þá er enn vinnslubil. Að viðurkenna bilið milli smásjárstyrks og stórsæmistaps er nauðsynleg lexía fyrir verkfræðinga. Til að fylla þetta skarð, að treysta á mikla-hreinleika, af-flækju- og for-dreifingartækni frá upprunaframleiðanda eins og Shandong Tanfeng er eina leiðin til að skila fullkomnum rafgögnum afkolefnis nanórörá framleiðslulínunni þinni.