Loodus ei ole süsinikku (C) mitte juhuslikult valinud elu alustalaks. Puhas süsinik võib eksisteerida paljudel erinevatel kujudel: teemandina, tahmana, grafiidina, grafeenina, fullereenidena ja nanotorudena. Kuna süsiniku aatomi väliskihis on kokku neli elektroni, siis grafiidi struktuuris on elektronide kujul ka vabasid laengukandjaid ja see teebki grafiidi ja selle analoogide grafeeni (üksik grafiidi kiht), süsiniknanotorude (rulli keeratud grafeen) ja fullereenide (kera kujuline C-molekul, nt C60) kasutamise nanoelektroonikas väga perspektiivikaks. Antud referaadis ongi välja toodud mõned põnevamad lahendused, mida on võimalik realiseerida kasutades süsinikplastidel baseeruvat nanoelektroonikat. [1, 2]
Süsiniknanotorude kasutamine nanoelektroonikas
Süsiniknanotoru on süsiniku allotroop, millel on silindriline nanostruktuur. Sel on mitmed kasulikud omadused, nagu näiteks elektri- ja soojusjuhtivus, mis muudab selle materjali nanoelektroonikas väga eriliseks. Olenevalt sellest, millise nurga all on grafeen rulli keeratud, võivad süsiniknanotoru elektrilised omadused varieeruda metallilisest kuni pooljuhini.
Üheseinalisi süsiniknanotorusid on võimalik integreerida plastikutele kasutades standardseid mikroelektroonika võtteid või printimist. Nii on võimalik valmistada näiteks antenne, resonaatoreid ja loogilisi ahelaid. Nende materjalide eelisteks on suur mahtuvus (ca 170 nF cm-2) ja ülihead isoleerivad omadused (lekkevoolutihedus vähem kui 10-9 A cm-2). Väljakutse on need miniatuursed seadmed ahelateks integreerida. Tänapäevaks on valmistatud digitaal- ja analoogahelaid, mis koosnevad kuni sajast nanotorusid sisaldavast detailist. Nende ahelate operatsioonide kiirused on GHz skaalas.
Pooljuhttööstuses kasutatakse tänapäeval valdavalt ränivahvlitele (Si-wafer) sadestamist ja litograafiat. Neid protsesse viiakse sageli läbi kõrges vaakumis ja väga puhastes tingimustes, mis muudavad need kalliks. Kui traditsioonilisi võtteid ei saa kasutada, siis tänapäeval on alternatiiviks printimine. Printimisega on võimalik konstrueerida erinevaid elektroonikaseadmeid, nagu näiteks suure pikslite arvuga ekraane, elektroonilisi implantaate, biosensoreid ja ühekordseid odavaid elektroonikaseadmeid. Kõige tähtsamaks elektroonika printimise valdkonnaks saab tulevikus nähtavasti transistoride ja mälude tootmine. Süsiniknanotorude printimisega on võimalik toota ka mehhaaniliselt painduvaid energiakandjaid nagu superkondensaatoreid, patareisid või hübriidseid seadmeid (s.t. energiat salvestatakse nii laengukandjate adsorptsiooni kui ka redoksreaktsioonide näol).
Elektrooniline tekstiil
Elektrooniline tekstiil on kangas, kus elektroonika ja selle ühendused on nendesse sisse kootud. Selles valdkonnas on peamiseks probleemiks see, kuidas saada pooljuhtseadmed ja nende ühendused valmistada selliste mehhaaniliste omadustega, mis lubaks nende painutamist, väänamist ja kokkusurumist. Traditsioonilisi ränialustel seadmeid kasutada ei saa, kuid väljapääsuks osutub orgaanilistel polümeeridel ja süsinik-nanotorudel baseeruvad seadmed. Võimalik on valmistada soojendavaid sukeldumisülikondi ja autoistmeid või piesoelektrilisi deformatsioonidetektoreid. Militaarvaldkonnas on suureks väljakutseks seljas kantavad antennid ja selleski valdkonnas on elektroonilisest tekstiilist kasu. Peamised nõuded on siinkohal seadme väike kaal, madal raadiolainete neelamine inimese keha poolt ja võimalikult suur kasutegur. [1]
Kunstnahk ja –lihased
Nahk on inimese suurim organ, mis aitab kaitsta inimest haiguste ja füüsilise kahju eest ning aitab reguleerida kehatemperatuuri. Kunstnahk aitab inimesi, kes on kolmanda järgu põletusega kahjustanud erinevaid naha kihte või kellel on tekkinud suured haavad. Praegu arendatakse välja orgaanilistel polümeeridel ja süsiniknanotorudel baseeruvat nahka, mis võimaldaks inimesel tunda survet, külma ja kuuma. Arvatakse, et süsiniknanotorud on materjal, mille inimese immuunsüsteem omaks võtab. Samas on nanotorude mürgisus küllaltki vähesel määral teada, nagu uudsete materjalidega pahatihti ikka kipub olema.
Painduvad gaasisensorid ja päikesepatareid
Gaasisensorid on vajalikud paljudes valdkondades nagu tööstushoonetes ohutuse eesmärgil, kütuseelementide süsteemides, gaaside hoiustamisel ja eraldamisel. Kuna traditsiooniliste materjalide (kvarts, räni, klaas) kasutamine on piiratud, siis on vaja välja töötada uusi painduvaid ning kergeid sensoreid. Selle tarvis on võimalik kasutada erinevaid polümeere. Nii saab valmistada suure pindalaga, tundlikke, keeruka pinnakujuga sensoreid, mis vajadusel mõõdavad erinevate gaaside või ka näiteks glükoosi sisaldust.
Maailma energiavajadus kasvab pidevalt, mistõttu on vaja välja töötada uusi lahendusi energia tootmiseks. Päikesepatareid ehitatakse tavaliselt ränialustele, kuid üheks võimaluseks on plastikust päikesepatareid: polümiidide baasil on võimalik konstrueerida painduvaid fotoelemente. Ühe võimalusena on välja pakutud ka süsiniku baasil valmistatavaid õhukese kile päikesepatareisid. Selle seadme eeliseks on paindlikkus ja kerge kaal, kuid ränipõhiste päikesepatareidega võrreldavaid efektiivsusi veel saavutatud pole.
Kokkuvõte
Peamiseks alustalaks süsinikplastide rakendamise valdkonnas on süsiniknanotorude kasutamine, kuna neid on võimalik sünteesida väga erinevate omadustega. Tänapäeval on pigem probleemiks identsete omadustega nanotorude süntees ja/või eraldamine. Neid on võimalik kasutada erinevate elektrooniliste skeemide loomisel ja tulevikus võibki süsinik materjalina räni üha enam välja tõrjuda.
Süsinik-nanotorusid kasutatakse tihti polümeermaatriksis ja seega on oluline arendada ka vastavaid polümeere, mis võivad olenevalt kasutusalast olla isolaatorid, pooljuhid või juhid. Süsinikplasti tehnoloogiat kasutades on võimalik toota paljusid olulisi elektroonilisi seadmeid, mis samas on füüsiliselt deformeeritavad, painduvad ja kokkusurutavad. Võimalik on toota painduvaid ekraane, energiasalvesteid ja ka lihaseid ja nahka. Sensorid on võimalik valmistada oluliselt tundlikumad ja kergemad. Süsinikplasti tehnoloogia eelisteks ongi detailide vastupidavus, erinevate keerukate kujude võimalikkus, kerge kaal ja võimalik on saavutada nii madalaid tootmiskulusid, mis muudavas selle tehnoloogia üha enam atraktiivsemaks.
Autor: Silver Sepp
Leave a Reply