Воскресенье, 29.06.2025, 09:21
Приветствую Вас Гость

Шаровая молния

Каталог файлов

Исследование структуры и электрической проводимости графитовых микрообразований.

16.02.2015, 01:09

Исследовательская работа
Тема: «Исследование структуры и электрической проводимости
графитовых микрообразований».

Автор работы:
Акимов Максим Дмитриевич
maxs_ff@mail.ru

Оглавление.
1. Введение………………………………………...……………..........................................................................................................…....…...3
2.  Исследовательская часть проекта………………….……….......................................................................................................………..4
2.1 Приборы и материалы..…………………………………………............................................................................................................…4
2.2 Исследование электрического сопротивления тонких графитовых плёнок……..….…………………………………………………….4
2.3 Исследование структуры электропроводящих графитовых плёнок в микроскоп……………………………...………………………...6
2.4 Исследования электропроводимости графитовых плёнок как результат образования в них тонких графитовых струн………...7
2.5 Исследование формы обнаруженных графитовых струн по светоотражающей способности ……………..………………………...7
3. Вывод………..………………………………………………………...........................................................................................................…...8
4. Применение …………………………………..........................................................................................................………………..………....8
5. Список использованной литературы…..………………………........................................................................................................………9
6. Приложения …………………..……………………………………...........................................................................................................…..10

1. Введение
Хорошо известны свойства графита: механические, тепловые, электрические и другие. Не менее известны, и популярные в последнее время, наноструктурные образования углерода, такие как нанотрубки, графен, фуллерены и т.д. Известно также, что начерченный слой графита на бумаге (графитовая плёнка), также обладает электропроводностью. В научной литературе и сети Интернет не имеется, каких-либо серьезных исследований по изучению электрических свойств подобных тонких графитовых пленок, да и в частности, исследований самих таких пленок. Поэтому данная работа посвящена исследованию этой темы. Исследование электрической проводимости тонких слоев графита, нанесенных на лист бумаги или резины, обнаружило аномально большое сопротивление графитовой пленки по сравнению с графитовым стержнем той же длины. Однако, при изучении электропроводящей пленки графита с помощью микроскопа, были обнаружены очень тонкие графитовые «нити» (графитовые струны) практически на всех, без исключений, образцах графитовых пленок, сопротивление которых определялось с использованием омметра. Причем, различные основы, на которые наносилась графитовая пленка, исключали фактор влияния рода материала и структуры поверхности на образование этих струн, что позволяло безошибочно их идентифицировать от вещества поверхности. (Приложение 2,3,8,10)   Поэтому дальнейшие исследования были по изучению этих новообразований в тонких графитовых пленках и как они влияют на электропроводящие свойства графита.
Цель работы:
Изучение электрических свойств и строения тонких графитовых пленок.
Задачи исследования:
1. Экспериментально исследовать электропроводящие свойства тонких пленок графита на различной диэлектрической основе и обнаружить причину их аномально большого электрического сопротивления.
2. На основе исследования предложить гипотезу образования тонких графитовых струн.
          Объектом исследования являются тонкие графитовые пленки, образуемые при трении графитового стержня о различные шероховатые поверхности.

2. Исследовательская часть проекта
Объектом исследования были тонкие графитовые пленки, образуемые при трении графитового стержня о различные шероховатые поверхности. Причем, исследовались образцы графитового слоя образующегося как при однократном движении грифеля карандаша, так и при многократном возвратно-поступательном движении графитового стержня по шероховатой поверхности.
2.1 Используемые в работе приборы и материалы:
1. Мультиметр DT 9202A , и мультиметр DT-182.
2. Микроскоп, созданный из переделанной вебкамеры, с расчетным коэффициентом увеличения 300х и разрешением 640х480 pi.
3. Графитовые карандаши марок 2М, М и ТМ с графитом соответствующим ГОСТ 4404-78.
4. Основы для нанесения графитового слоя: офисная бумага ГОСТ Р ИСО 9706-2000; тетрадные листы, ГОСТ Р 54543-2011; резинка стирательная (ластик), ТУ 38-106142-81.
5. Штангенциркуль типа ШЦ-II, ГОСТ 166-89.

2.2 Исследование электрического сопротивления тонких графитовых плёнок.
а) Исследование электропроводимости графитового стержня.
Для исследования был взят графитовый стержень от карандаша (М), длиной 12 см и диаметром 1,52 ± 0,05 мм.

рис.1

На графике представлены средние значения замеров по результатам двадцати опытов. Из графика видно, что сопротивление графитового стержня линейно возрастает с увеличением его длины.

б) Исследование электрического сопротивления графитовой плёнки образуемой при однократном проходе графитового стержня по бумаге. Исследование электрического сопротивления такой плёнки показало очень большое сопротивление образца, которое превысило предел измерения используемого нами омметра, т.е. было больше 9999 МОм. Хотя образец в отраженном свете имеет металлический блеск, изучение его структуры в микроскоп (приложение 4) позволило выявить фрагментированную структуру образованных графитовых струн, длина которых, по примерным оценкам, не превышала 200-300 мкм. Таким образом, даже при минимальном сближении контактных электродов омметра (1 мм), значение сопротивление превышало пределы его измерения.
в) Исследование электрического сопротивления графитовой плёнки образуемой при многократном штриховании вдоль одной линии (50 мм)

Рис.2

Исследования показали, что если для графитового стержня длиной 50 мм и площадью поперечного сечения 1,8 мм²,сопротивление составило 36 Ом, то для графитового слоя, той же длины (по результатам 10 замеров для каждой точки графика R(l)) оно составило для различных образцов от 79 кОм до 1980 кОм. Конечно, такое различие в сопротивлении можно объяснить очень тонким слоем графита, однако, дальнейшие измерения показали нам, что при относительно «толстом» слое графита, образованного многократным прохождение графитового стержня по бумаге вдоль одной линии, это правило, хоть и примерно, но выполняется (рис 2.). Но можно заметить общие нелинейные отклонения, которые тем сильнее проявляются, чем тоньше слой графитовой плёнки. Однако при относительно тонком графитовом слое (в несколько проходов), ситуация с зависимостью сопротивления от длины слоя имеет сильно нелинейный характер (рис.9).

Рис.3

Можно высказать гипотезу, что высокое электрическое сопротивление тонкого слоя графита обусловлено изменением расстояния между слоями графита, при его нанесении на поверхность бумаги, при этом отслаиваемые молекулярные пласты кристалла графита, связанными Ван-дер-Ваальсовыми силами, на поверхности бумаги не сохраняют прежнюю упорядоченность. По проверке этой гипотезы были проведены исследования. По результатам которых было выяснено:
1) Электрическое сопротивление увеличивается при увеличении длины полоски графита, причем, чем тоньше графитовый слой на поверхности, тем более нелинейно возрастает сопротивление с увеличением длины.
2) электрической проводимостью обладают только те слои графита, которые в отраженном свете имеют характерный «металлический» блеск;
2.3 Исследование структуры электропроводящих графитовых плёнок в микроскоп.
    При исследовании структуры поверхности графитовой плёнки в микроскоп было обнаружено:
               а) отсутствие равномерного покрытия поверхности бумаги графитовыми слоями, причем с сильной фрагментацией и изолированной локализацией частиц графита, однако с сохранением электропроводящих свойств этого покрытия, что невозможно объяснить указанной выше гипотезой;
               б) при увеличении в 300 раз, на всех образцах токопроводящей графитовой пленки, было обнаружено большое количество очень тонких графитовых струн (Приложения 4,5,6,7,9,11,12, 13,14,15 и17), примерная толщина которых на один или два порядка меньше диаметра ворсинок бумаги, (Приложения 2,3,8) т.е. составило несколько сотен нанометров. Длина этих струн достигала линейных размеров исследуемых образцов (несколько сантиметров). Графитовые струны располагались параллельно друг другу вдоль линии движения грифеля карандаша по бумаге.
2.4 Исследования электропроводимости графитовых плёнок как результат образования в них тонких графитовых струн.
     Для некоторых исследуемых образцов было обнаружено отсутствие электрического контакта между параллельными графитовыми струнами, а проводимость электрического тока была обнаружена только в тех участках графитовых пленок, где в микроскоп наблюдались непрерывные графитовые струны. Таким образом, электропроводимость тонкого графитового слоя можно объяснить образованием в нем очень тонких струн, которые и являются проводниками электрического тока, хотя и обладают достаточно большим сопротивлением. Также, можно полагать, что чем больше в графитовой плёнке образуется таких струн, тем меньше её сопротивление, именно этим обстоятельством объясняются графики на рис. 8, так как, чем больше проходов делает графитовый стержень вдоль одной линии, тем больше образуется графитовых струн. Нелинейность графика зависимости сопротивления графитового слоя от длины начерченной линии, можно объяснить увеличением вероятности разрывов ряда струн, т.е. чем длиннее начерченная линия, тем меньше в ней графитовых струн имеющих такую же длину, как и сама линия. Особенно это сказывается для линий с малым числом проходов (рис.3). При однопроходном следе графитового стержня, длинных графитовых струн практически не образуется, чем и объясняется отсутствие у него электропроводности.
Вывод: при исследовании электропроводящих свойств тонких слоев графита нанесенных на поверхность бумаги была обнаружена зависимость сопротивления (при, примерно, равной площади контакта) от числа графитовых линий, количество которых возрастало с увеличением числа проходов карандаша по бумаге.
2.5 Исследование формы обнаруженных графитовых струн по светоотражающей способности.
       Исследование отражения света от тонких графитовых струн выявило, что при освещении струн светом падающих на них в плоскости параллельной струнам и перпендикулярной к поверхности бумаги, они невидимы (Приложение 16), т.е. свет отраженный от струн не попадал а объектив микроскопа, а при освещении светом перпендикулярно струнам и под любым углом к поверхности бумаги, струны всегда были видны (Приложение 17). Это обстоятельство позволило утверждать, что струны, вероятно, имеют цилиндрическую форму (Приложение 18 и 19). Причем отраженный от струн свет был линейно поляризован, в чем можно убедиться, посмотрев на графитовую плёнку в отраженном свете через поляроид.
        Исследование позволили сформулировать гипотезу, что электропроводность слоя графита обусловлена образованием в ней очень тонких графитовых струн цилиндрической формы, напоминающих углеродные нанотрубки, однако бóльших по длине и диаметру, чем описано в других исследованиях^[3]. Структуру этих углеродных струн, возможно изучить только в электронном или сканирующем туннельном микроскопах.
        Механизм образования этих струн, трубок можно упрощенно представить, как аналогию образования металлических или деревянных стружек. При трении графитовых слоев графитового стержня происходит деформация сдвига одних слоёв кристалла графита относительно других. В результате действия Ван-дер-Ваальсовых сил между параллельными слоями графита и их относительного смещения, происходит скручивание отслаиваемых слоёв графита в спираль, а взаимодействие соседних витков этой спирали и образование ковалентных связей формирует трубчатую структуру (Приложение 20).
3. Вывод
Изучение научных публикаций и сравнение обнаруженных графитовых образований с исследованиями веществ полученных на основе графита, таких как углеродные нанотрубки и колоссальные углеродные трубки ^[4] приводит к выводу, о подобии этих структур, а значит, они могут иметь такое же прикладное значение, как и их более миниатюрные аналоги. Однако необходимо отметить простоту и дешевизну получения обнаруженных углеродных струн, что позволит значительно упростить процесс их получения и более широкое их применение, конечно же, при дополнительном исследовании их свойств, которые могут сильно отличаться от свойств углеродных нанотрубок или быть им аналогичными. Процесс отделения этих углеродных струн от основы может быть различным, один из способов это растворить основу, а оставшиеся нити собрать в жгут для увеличения их механической прочности.
4. Применение
Обнаруженные микро структуры в графитовой плёнке обладают значительным электрическим сопротивлением, что в перспективе можно использовать для создания высокоомных резисторов, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с резисторами выполненными из сплавов металлов (константана, нихрома, никелина и др.), а именно:
а) малые размеры пленочных резисторов, что актуально в современной электронике;
б) себестоимость таких резисторов несравнимо меньше имеющихся аналогов;
в) высокая химическая инертность.
         Также было обнаружено, что при продольном перемещении электрических контактов, для замера электрического сопротивления, сохранялась целостность графитовых струн в плёнке, что свидетельствует о значительной прочности этих структур (учитывая их очень малое сечение). Это позволит создавать новые материалы с уникальными механическими свойствами.
5. Литература
1.     Уббелоде А.Р., Льюис Ф.А. Графит и его кристаллические соединения. Пер.с англ.. М.: Мир, 1965.
2.     Веселовский В.С. Требования промышленности к качеству минерального сырья. Графит. М.: Госгеолтехиздат, 1960.
     3. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. - Москва: Техносфера, 2003. - 336 с.
    4. http://www.nanometer.ru/2008/12/22/uglerodnie_materiali_55006.html

Приложение 1.
Определение коэффициента увеличения микроскопа.