Реферат: Элементы электроники на углеродных нанотрубках

Введение

     Углеродные нанотрубки (НТ) — своеобразные цилиндрические молекулы диаметромпримерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Этиполимерные системы впервые обнаружили менее 10 лет назад  как побочные продуктысинтеза фуллерена С60. Тем не менее уже сейчас на основе углеродныхнанотрубок создаются электронные устройства нанометрового (молекулярного) размера.Ожидается, что в обозримом будущем они заменят элементы аналогичного назначенияв электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров. Врезультате будет достигнут теоретический предел плотности записи информации(порядка одного бита на молекулу) и вычислительные машины обретут практическинеограниченную память и быстродействие, лимитируемое только временемпрохождения сигнала через прибор.

     Существует 2 основных типа нанотрубок: одностенные нанотрубки ОСНТ(single-walled nanotubes — SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, имногостенные МСНТ (multi-walled nanotubes — MWNT), которые состоят из множествасгруппированных углеродных трубок. Нанотрубки склонны крепко слипаться междусобой, формируя наборы или «канат», состоящий из металлических иполупроводниковых нанотрубок.

     Металлические проводящие ток нанотрубки могут выдерживать плотности тока в102-103 раза выше, чем обычные металлы, а полупроводниковые нанотрубки можноэлектрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом,что позволяет создавать полевые транзисторы.

Свернутый графитовый слой

      Не содержащая дефектов одностенная углероднаянанотрубка представляет собой свернутую в виде цилиндра ленту с упаковкойатомов по типу графита (рис. 1). Чтобы представить пространственноерасположение атомов в нанотрубке, отложим на графитовом слое вектор C = (na1,ma2), где a1 и a2 — базисные векторы, а n и m — целые числа. Через точки началаи конца этого вектора проведем перпендикулярно ему две прямые — L и L' ивырежем из слоя бесконечную ленту вдоль этих линий. Свернем ленту в цилиндртак, чтобы прямые L и L'совместились. У нашего цилиндра L будет образующей, адлина окружности равна модулю вектора C. Так мы получим нанотрубку (n, m). Вобщем случае нанотрубки обладают винтовой осью симметрии (тогда говорят, чтоони хиральны). Нехиральными оказываются нанотрубки (n, 0) и (n, n), в которыхуглеродные шестиугольники ориентированы параллельно и перпендикулярно осицилиндра соответственно.

Металлы и полупроводники

      Для созданияэлектронных устройств и их объединения в сложные приборы требуютсяполупроводники и материалы с высокой электропроводностью. Нанотрубки с разнымизначениями индексов (n, m) — это полимеры разного строения, а потому они должныобладать разными электрическими свойствами. Зависимости электрических свойствнанотрубок от геометрических параметров были предсказаны на основеквантово-химических расчетов их зонной структуры. Они показали, чтометаллическим типом зонной структуры обладают те НТ, для которых разность n — mкратна трем, — т.е. треть нанотрубок. Остальные нанотрубки должны бытьполупроводниками с шириной запрещенной зоны от нескольких десятых до примернодвух эВ, возрастающей с уменьшением диаметра нанотрубки.

Методы получения углеродных нанотрубок

Электродуговой метод.

     Наиболее широко распространен метод получения нанотрубок, использующийтермическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящейв атмосфере He.

     В дуговом разряде между анодом катодом при напряжении 20-25В стабилизированномпостоянном токе дуги 50-100А, межэлектродном расстоянии 0.5-2 мм и давлении Не100-500 Торр, происходит интенсивное распыление материала анода. Частьпродуктов распыления, содержащая графит, сажу, и фуллерены осаждается наохлаждаемых стенках камеры, часть, содержащая графит и многослойные углеродныенанотрубки (МСНТ), осаждается на поверхности катода. На выход нанотрубок влияетмножество факторов.

      Наиболее важнымявляется давление Не в реакционной камере, которое в оптимальных, с точкизрения производства НТ, условиях составляет 500 Торр, а не 100-150 Торр, как вслучае фуллеренов. Другим не менее важным фактором является ток дуги:максимальный выход НТ наблюдается при минимально возможном токе дуги,необходимым для ее стабильного горения. Эффективное охлаждение стенок камеры иэлектродов также важно для избежания растрескивания анода и его равномерногоиспарения, что влияет на содержание НТ в катодном депозите.

     Использование автоматического устройства поддержания межэлектродного расстоянияна фиксированном уровне способствует увеличению стабильности параметровдугового разряда и обогащению нанотрубками материала катодного депозита.

Лазерное распыление.

     В 1995 году появилось сообщение о синтезировании углеродных НТ методомраспыления графитовой мишени под воздействием импульсного лазерного излучения ватмосфере инертного (He или Ar) газа. Графитовая мишень находится в кварцевойтрубке при температуре 12000С, по которой течет буферный газ.

     Фокусирующийся системой линз лазерный пучок сканирует поверхность графитовоймишени для обеспечения равномерного испарения материала мишени. Получающийся, врезультате лазерного испарения, пар попадает в поток инертного газа и выноситсяиз высокотемпературной области в низкотемпературную, где осаждается наохлаждаемой водой медной подложке. Сажа, содержащая НТ, собирается с меднойподложки, стенок кварцевой трубки и обратной стороны мишени. Также как и вдуговом методе получается несколько видов конечного материала:

(1)в экспериментах, где в качестве мишени использовался чистый графит, получалисьМСНТ, которые имели длину до 300 нм и состояли из 4-24 графеновых цилиндров.Структура и концентрация таких НТ в исходном материале главным образомопределялись температурой. При 12000С все наблюдаемые НТ несодержали дефектов и имели шапочки на окончаниях. При понижении температурысинтеза до 9000С в НТ появлялись дефекты, число которыхувеличивалось с дальнейшим понижением температуры, и при 2000Собразование НТ не наблюдалось.

(2)при добавлении в мишень небольшого количества переходных металлов, в продуктахконденсации наблюдались ОСНТ. Однако в процессе испарения мишень обогащаласьметаллом, и выход ОСНТ снижался.

     Для решения этой проблемы стали использовать две облучаемые одновременномишени, одна из которых является чистым графитом, а другая состоит из сплавовметаллов.

    Процентный выход НТ резко меняется в зависимости от катализатора. Так,например, высокий выход НТ получается на катализаторах Ni, Co, смеси Ni и Co сдругими элементами. Получаемые ОСНТ имели одинаковый диаметр и были объединеныв пучки диаметром 5-20 нм. Смеси Ni/Pt и Co/Pt дают высокий выход НТ, тогда какиспользование чистой платины приводит к низкому выходу ОСНТ. Смесь Co/Cu даетнизкий выход ОСНТ, а использование чистой меди вообще не приводит кформированию ОСНТ. На окончаниях ОСНТ, свободных от частиц катализатора,наблюдались сферические шапочки.

     В качестве разновидности получил распространение метод, где вместо импульсноголазерного излучения использовалось сфокусированное солнечное излучение. Данныйметод использовался для получения фуллеренов, а после доработки для полученияНТ. Солнечный свет, попадая на плоское зеркало и отражаясь, формирует плоскопараллельныйпучок, падающий на параболическое зеркало. В фокусе зеркала расположенаграфитовая лодочка, заполненная смесью графитового и металлического порошков.При хорошей юстировке температура на композитной мишени достигает 3000K.Лодочка находится внутри графитовой трубки, которая играет роль тепловогоэкрана. Вся система помещена в камеру, заполненную инертным газом.

     В качестве катализаторов были взяты различные металлы и их смеси. В зависимостиот выбранного катализатора и давления инертного газа получались разныеструктуры. Используя никель-кобальтовый катализатор при низком давлениибуферного газа синтезированный образец состоял в основном из бамбукообразныхМСНТ. При повышении давления появлялись и начинали доминировать ОСНТ диаметром1-2 нм, ОСНТ были объединены в пучки диаметром до 20 нм с поверхностьюсвободной от аморфного углерода.

Каталитическое разложение углеводородов.

     Широко используемый способ получения НТ основан на использовании процессаразложения ацетилена в присутствии катализаторов. В качестве катализаторовиспользовались частицы металлов Ni, Co, Cu и Fe размером несколько нанометров.В кварцевую трубку длиной 60 см, внутренним диаметром 4 мм, помещаетсякерамическая лодочка с 20-50 мг катализатора. Смесь ацетилена C2H2(2,5-10%) и азота прокачивается через трубку в течение нескольких часов притемпературе 500-11000С. После чего система охлаждается до комнатнойтемпературы. На эксперименте с кобальтовым катализатором наблюдались четыретипа структур:

(1)аморфные слои углерода на частицах катализатора;

(2) закапсулированные графеновыми слоями частицыметаллического катализатора;

(3)нити, образованные аморфным углеродом;

(4)МСНТ.

     Наименьшее значение внутреннего диаметра этих МСНТ составляло 10 нм. Наружныйдиаметр свободных от аморфного углерода НТ находился в пределах 25-30 нм, а дляНТ, покрытых аморфным углеродом — до 130 нм. Длина НТ определялась временемпротекания реакции и изменялась от 100 нм до 10 мкм.

     Выход и структура НТ зависит от типа катализатора — замена Co на Fe даетменьшую концентрацию НТ и количество бездефектных НТ сокращается. Прииспользовании никелевого катализатора большинство нитей имело аморфнуюструктуру, иногда встречались НТ с графитизированной бездефектной структурой.На медном катализаторе формируются нити с нерегулярной формой и аморфнойструктурой. В образце наблюдаются закапсулированные в графеновые слои частицыметалла. Получаемые НТ и нити принимают различные формы — прямые; изогнутые,состоящие из прямых участков; зигзагообразные; спиральные. В некоторых случаяхшаг спирали имеет псевдопостоянную величину.

     В настоящее время возникла необходимость получить массив ориентированных НТ,что продиктовано использованием таких структур в качестве эмиттеров. Существуетдва пути получения массивов ориентированных НТ: ориентация уже выросших НТ ирост ориентированных НТ, используя каталитические методы.

     Было предложено использовать в качестве подложки для роста НТ пористый кремний [2],поры которого заполнены наночастицами железа. Подложка помещалась в средубуферного газа и ацетилена, находящихся при температуре 7000С, гдежелезо катализировало процесс термического распада ацетилена. В результате, наплощадях в несколько мм2, перпендикулярно подложке, формировалисьориентированные многослойные НТ.

     Аналогичный метод-использование в качестве подложки анодированного алюминия.Поры анодированного алюминия заполнялняются кобальтом. Подложка помещается впроточную смесь ацетилена и азота при температуре 8000С. Получаемыеориентированные НТ имеют средний диаметр 50.0±0.7 нм с расстоянием междутрубками 104.2±2.3 нм. Средняя плотность была определена на уровне 1.1х1010НТ/см2. ПЭМ нанотрубок выявила хорошо графитизированную структуру срасстоянием между графеновыми слоями 0.34 нм. Сообщается, что, изменяяпараметры и время обработки алюминиевой подложки можно менять как диаметр НТ,так и расстояние между ними.

     Метод, протекающий при более низких температурах (ниже 6660С) такжеописан в статьях. Низкие температуры в процессе синтеза позволяют использоватьв качестве подложки стекло с нанесенной пленкой никеля. Никелевая пленкаслужила катализатором для роста НТ методом осаждения из газовой фазы вактивированной плазме с горячей нитью. В качестве источника углерода использовалсяацетилен. Меняя условия эксперимента можно менять диаметр трубок от 20 до 400нм и их длину в пределах 0.1-50 мкм. Получаемые МСНТ большого диаметра (>100нм) прямые и их оси направлены строго перпендикулярно подложке. Наблюдаемаяплотность НТ по данным растровой электронной микроскопии составляет 107НТ/мм2. Когда диаметр НТ становится меньше 100 нм преимущественнаяориентация, перпендикулярная плоскости подложки, исчезает. Ориентированныемассивы МСНТ могут создаваться на площадях в несколько см2.

Электролитический синтез.

    Основная идея этого метода состоит в том, чтобы получить углеродные НТ,пропуская электрический ток между графитовыми электродами, находящимися врасплавленной ионной соли. Графитовый катод расходуется в процессе реакции и служитисточником атомов углерода. В результате формируется широкий спектрнаноматериалов. Анод представляет собой лодочку, сделанную из высоко чистогографита и заполненную хлоридом лития. Лодочка нагревается до температурыплавления хлорида лития (6040С) на воздухе или в атмосфере инертногогаза (аргона). В расплавленный хлорид лития погружается катод и в течение однойминуты между электродами пропускается ток 1-30 А. За время пропускания токапогруженная в расплав часть катода эродирует. Далее расплав электролита,содержащий частицы углерода, охлаждался до комнатной температуры.

      Для того чтобывыделить частицы углерода, получившиеся вследствие эрозии катода, сольрастворялась в воде. Осадок выделялся, растворялся в толуоле и диспергировалсяв ультразвуковой ванне. Продукты электролитического синтеза исследовались спомощью ПЭМ. Выявлено, что они состоят из закапсулированных частиц металла,луковиц и углеродных НТ различной морфологии, включая спиральные и сильноизогнутые. В зависимости от условий эксперимента диаметр нанотрубокобразованных цилиндрическими графеновыми слоями колебался от 2 до 20 нм. ДлинаМСНТ достигала 5 мкм. Найдены оптимальные условия по току — 3-5 А. При высокомзначении тока (10-30 А) образуются только закапсулированные частицы и аморфныйуглерод. При низких значениях тока (<1 А) образуется только аморфныйуглерод.

Конденсационный метод..

      В методеквазисвободной конденсации пара, углеродный пар образуется в результатерезистивного нагрева графитовой ленты и конденсируется на подложку извысокоупорядоченного пиролитического графита, охлаждаемую до температуры 300Св вакууме 10-8 Торр. ПЭМ исследования, полученных пленок толщиной2-6 нм показывают, что они содержат углеродные НТ диаметром 1-7 нм, длиной до200 нм, большинство из которых заканчивается сферическими окончаниями.Содержание НТ в осадке превышает 50%. Для многослойных НТ расстояние междуобразующими их графеновыми слоями составляет 0.34 нм. Трубки располагаются наподложке практически горизонтально.

Метод конструктивного разрушения

      Этот метод былразработан исследователями лаборатории IBM. Как былосказано ранее, нанотрубки обладают как металлическими, так и полупроводниковымисвойствами. Однако для производства ряда устройств на их основе, в частности — транзисторов и, далее, процессоров с их использованием, нужны толькополупроводниковые нанотрубки. Ученые из IBM разработали метод так называемого«конструктивного разрушения», который позволил им разрушить все металлическиенанотрубки и при этом оставить неповрежденными полупроводниковые. То есть онилибо последовательно разрушают по одной оболочке в многостенной нанотрубке,либо выборочно разрушают металлические одностенные  нанотрубки.

Вот как вкратце описываетсяэтот процесс (рис. 2):

1. Слипшиеся «канаты» изметаллических и полупроводниковых трубок помещают на подложку из окислакремния.

2. Затем на подложкупроектируется литографическая маска для формирования электродов (металлическихпрокладок) поверх нанотрубок. Эти электроды работают как переключатели длявключения/выключения полупроводниковых нанотрубок.

3. Используя самукремниевую подложку как электрод, ученые «выключают» полупроводниковыенанотрубки, которые просто блокируют прохождение любого тока через себя.

4. Металлические нанотрубкиостались незащищенными. После чего к подложке прикладывается подходящеенапряжение, разрушающее металлические нанотрубки, в то время какполупроводниковые нанотрубки остаются изолированными. В результате остаетсяплотный массив неповрежденных работоспособных полупроводниковых нанотрубок — транзисторов,которые можно использовать для создания логических цепей  — т. е.процессоров.

      Теперь рассмотрим этипроцессы подробнее. Различные оболочки МСНТ могут иметь различные электрическиесвойства. В результате электронная структура и механизмы переноса электронов вМСНТ различны. Эта сложность структуры позволяет выбирать и использовать толькоодну оболочку МСНТ: ту, что имеет желанные свойства.               ­         

      Разрушениемногостенных нанотрубок происходит в воздухе при определенном уровне мощности,посредством быстрого окисления наружных углеродных оболочек. Во времяразрушения ток, текущий через МСНТ, изменяется пошагово, причем эти шаги судивительной постоянностью совпадают с разрушением отдельной оболочки.Контролируя процесс удаления оболочек одну за другой, можно создавать трубки сжелаемыми характеристиками внешней оболочки, металлической илиполупроводниковой. Выбирая диаметр внешней оболочки, можно получить желаемуюширину запрещенной зоны.

      Если для созданияполевого транзистора используются «канаты» с одностенными нанотрубками, то вних нельзя оставлять металлические трубки, т. к. они будут доминировать иопределять транспортные свойства устройства, т.е. не дадут осуществить полевойэффект. Эта проблема также решается путем выборочного разрушения.

      В отличие от МСНТ, втонком «канате» каждая ОСНТ может подсоединяться по отдельности к внешнимэлектродам. Таким образом, «канат» с МСНТ можно представить как независимыепараллельные проводники с общей суммарной проводимостью, подсчитываемой поформуле:

G(Vg) = Gm + Gs(Vg),

где Gm создаетсяметаллическими нанотрубками, и Gs является зависимой от затвора проводимостьюполупроводниковых нанотрубок. Кроме того, множество ОСНТ в «канате»контактируют с воздухом, потенциально окисляющей средой, поэтому множествотрубок может быть разрушено одновременно, в отличие от случая с МСНТ. И,наконец, одностенные нанотрубки в маленьком «канате» не защищают друг другаэлектростатически столь же эффективно, как концентрические оболочки МСНТ.

      В результате,управляющий электрод можно использовать для эффективного уменьшенияпереносчиков электрического тока (электронов или дырок) в полупроводниковыхОСНТ в «канате». Это превращает полупроводниковые трубки в изоляторы. В этомслучае окисление, вызванное током, можно направить только на металлические ОСНТв «канате».

      Производство массивовполупроводниковых нанотрубок осуществляется просто: путем помещения «канатов»ОСНТ на окисленную подложку кремния, а затем набор из источника тока,заземления и изолированных электродов размещается литографическим способом навершине «канатов». Концентрация трубок предварительно выбрана таким образом,что в среднем только один «канат» замыкает источник и землю. При этомспециальной ориентации нанотрубок не требуется. Нижний затвор (сама кремниеваяподложка) используется для запирания полупроводниковых трубок, а затемприкладывается избыточное напряжение для разрушения металлических трубок в«канате», что и создает полевой транзистор.

      Применяя этутехнологию выборочного разрушения, можно контролировать размер углероднойнанотрубки, что позволяет строить нанотрубки с заранее заданными электрическимисвойствами, отвечающими требуемым характеристикам электронных устройств.Нанотрубки можно использовать как провода с наноразмерами или активныекомпоненты в электронных устройствах: например, как полевые транзисторы.Понятно, что в отличие от полупроводников на основе кремния, требующих созданияпроводников на основе алюминия или меди для соединения полупроводниковыхэлементов внутри кристалла, в этой технологии можно обойтись только углеродом.

      Сегодня производителипроцессоров для увеличения частоты пытаются уменьшить длину каналов втранзисторах. Технология, предложенная IBM, позволяет успешно решить этупроблему при использовании углеродных нанотрубок в качестве каналов втранзисторах.

Устройства на основеуглеродных нанотрубок

Диод

    Цилиндрические неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродныхшестиугольников. Если углеродный шестиугольник заменить, например, напятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, как показано на рис. 3,нанотрубка изогнется. С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродныхшестиугольников оказывается различной. Но с изменением ориентациишестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр,положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т.п. В частности, дляприведенного на рис. 3 случая, слева относительно изгиба нанотрубка должна бытьметаллической, а справа — полупроводниковой. Таким образом, эта изогнутаянанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереходметалл-полупроводник.

      Если рассматриватьданные куски нанотрубки изолированно, с разных сторон относительно изгибаэлектроны на уровне Ферми обладают разной энергией. В единой системе выигрыш вэнергии приводит к перетеканию заряда и образованию потенциального барьера.Электрический ток в таком переходе течет только в том случае, если электроныперемещаются из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область сменьшей. Иначе говоря, ток может течь только в одном направлении.“Одностороннее” прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется длясоздания выпрямляющего диода — одного из основных элементов электронных схем(рис. 4).

Полевой транзистор

      На основеполупроводниковой или металлической нанотрубки удалось сделать полевыетранзисторы [4, 5], работающие при комнатной (в первом случае) исверхнизкой (во втором) температуре. Полевые транзисторы (триоды) — электронныеустройства, на перенос заряда через которые оказывает сильное влияние внешнее(управляющее) электрическое поле, что используется в усилителях электрическогосигнала, переключателях и т.п.

     В транзисторе на полупроводниковой нанотрубке электрическое поле управляетконцентрацией носителей в зонах делокализованных состояний (рис. 5). Вполупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состоянийзоны проводимости энергетической щелью — запрещенной зоной. Из-за наличия этойщели при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубкаобладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор)электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле иизгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентнойзоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальномузакону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При потенциале затвораоколо –6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление — минимального, а нанотрубка становится металлической.

    При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используютсяэффекты туннельного переноса электронов через нанотрубку по отдельныммолекулярным орбиталям. Из-за конечной длины нанотрубки ее электронный спектр,строго говоря, не непрерывен, а дискретен, с расстоянием между отдельнымиуровнями ~1 мэВ при длине нанотрубки ~1 мкм (рис. 6). Такой характеррасщепления уровней, конечно, не сказывается на электропроводности нанотрубки,например, при комнатной температуре (0.025 эВ), но полностью определяет ееэлектрические свойства при температуре ниже 1 К.

    Проводимость металлической нанотрубки в таких условиях обусловлена тем, чтоэлектроны перескакивают (туннелируют) с верхнего заполненного уровня катода напроводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки на нижнийнезаполненный уровень анода. В пределах нанотрубки туннелирование электронапроисходит очень легко (практически без рассеяния и без потерь энергии) за счетp-электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки. Высокаяметаллическая проводимость в электрической цепи возможна в случае, если так желегко осуществляется перенос электронов между нанотрубкой и электродами. Вэксперименте это достигается возможно более точной подгонкой уровней Фермиэлектродов к энергии проводящего уровня нанотрубки. Включение внешнегоэлектрического поля при подаче электрического потенциала на третий электродсмещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает.

Дисплей

     Дисплей — это первое, что мы видим, когда подходим к компьютеру. Оказалось, чтоуглеродные нанотрубки могут быть полезны также и для создания дисплеев новогопоколения [2, 6].

     Рассмотрим углеродную нанотрубку, закрепленную на катоде и ориентированную внаправлении анода (рис. 7). Если на электроды подать напряжение соответствующейполярности, нанотрубка заряжается отрицательно, линии электрического полявблизи заряженной нанотрубки искривляются и в окрестности острия нанотрубкинапряженность поля становится огромной, причем тем больше, чем тоньшенанотрубка. Такое локальное поле может вырывать электроны из нанотрубки. Поддействием внешнего поля летящие электроны формируются в пучок. Этот эффект,называемый автоэлектронной эмиссией, кроме дисплеев, используется для созданиявыпрямителей.

     В обоих случаях берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем изуглеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму. Если наэлектроды подается такое напряжение, что нанотрубка заряжается отрицательно, изнанотрубки на второй электрод излучается пучок электронов: ток в системе идет.При другой полярности нанотрубка заряжается положительно, электронная эмиссияиз нее невозможна и ток в системе не идет.

    Чтобы с помощью автоэлектронной эмиссии получить изображение, на анодезакрепляют люминофор. Электронный удар возбуждает молекулы люминофора, которыезатем переходят в основное состояние, излучая фотоны. Например, прииспользовании в качестве люминофора сульфида цинка с добавками меди и алюминиянаблюдается зеленое свечение, а при добавлении серебра — синее. Красный цветполучают с помощью легированного европием оксида иттрия.

Электромеханический резонанс

     Преобразование электрических колебаний в механические требуется для созданияразличных устройств, например электроакустических головок. Для возбужденияколебаний нанотрубки под действием электрического поля  ее закрепляют на одномиз двух электродов, на этот раз под углом ко второму электроду. При подаче наэлектроды электрического напряжения трубка заряжается и за счетэлектростатического притяжения отклоняется ко второму электроду. Если наэлектроды подать переменное напряжение, частота которого совпадает с частотойсобственных колебаний нанотрубки, зависящих от ее толщины и длины, возникнутмеханические колебания нанотрубки.

Квантовые провода

     Теоретические и экспериментальные исследования электрических и магнитныхсвойств нанотрубок обнаружили ряд эффектов, которые указывают на квантовуюприроду переноса заряда в этих молекулярных проводах и могут быть использованыв электронных устройствах.

     Проводимость обычного провода обратно пропорциональна его длине и прямопропорциональна поперечному сечению, а в случае нанотрубки она не зависит ни отее длины, ни от ее толщины и равна кванту проводимости 2e2/h (12.9кОм–1) — предельному значению проводимости, которое отвечаетсвободному переносу делокализованных электронов по всей длине проводника. Приобычной температуре наблюдаемое значение плотности тока (107 А´см–2) на два порядка превосходитдостигнутую сейчас плотность тока в сверхпроводниках.

     Нанотрубка, которая находится при температурах около 1 К в контакте с двумясверхпроводящими электродами, сама становится сверхпроводником. Этот эффектсвязан с тем, что куперовские электронные пары, образующиеся в сверхпроводящихэлектродах, не распадаются при прохождении через нанотрубку.

     При низких температурах на металлических нанотрубках наблюдали ступенчатоевозрастание тока (квантование проводимости) при увеличении напряжения смещенияV, приложенного к нанотрубке: каждый скачок отвечает появлению очередногоделокализованного уровня нанотрубки в промежутке между уровнями Ферми катода ианода (рис. 6, а).

     Нанотрубки обладают ярко выраженным магнитосопротивлением: электропроводностьсильно зависит от индукции магнитного поля. Если приложить внешнее поле внаправлении оси нанотрубки, наблюдаются заметные осцилляции электропроводности;если поле приложено перпендикулярно оси НТ, то наблюдается ее возрастание.

Химическая модификация

     Возможности использования нанотрубок в молекулярной электронике неизмеримовозрастают при переходе от чисто углеродных к химически модифицированнымнанотрубкам. Например, благодаря наличию цилиндрической полости внутрьуглеродных нанотрубок удается внедрить различные элементы, включая тяжелыеметаллы. Возможно добавление аддендов (например, атомов фтора) на внешнююповерхность трубки. Кроме углеродных, сейчас умеют получать и бор-азотныенанотрубки. Во всех этих случаях должны получаться материалы с новыми и покаеще экспериментально не изученными свойствами.

Светодиоды

     Еще одно применение МСНТ — изготовление светодиодов на основе органическихматериалов [3]. В данном случае для их изготовления использовалсяследующий метод: порошок из НТ смешивали с органическими элементами в толуоле иоблучали ультразвуком, затем раствору давали отстоятся в течение 48 часов. Взависимости от начального количества компонентов получались различные массовыедоли НТ. Для изготовления светодиодов снимали верхнюю часть раствора и путемцентрифугирования наносили на стеклянную подложку, после чего напылялиаллюминиевые электроды на полимерные слои. Полученные устройства исследовалисьметодом электролюминисценции, который выявил пик их излучения в инфракраснойобласти спектра (600-700 нм).

Заключение

    В настоящее время углеродные нанотрубки привлекают к себе много вниманияблагодаря возможности изготовления на их основе устройств нанометровыхразмеров. Несмотря на многочисленные исследования в этой области, вопрос омассовом производстве таких устройств остается открытым, что связано сневозможностью точного контроля получения НТ с заданными параметрами и свойствами.Однако в ближайшем будущем следует ожидать бурного развития в этой областииз-за возможности производства микропроцессоров и чипов на основенанотранзисторов и, как следствие, инвестирования в эту область корпорациями,специализирующимся на компьютерной технике.

Литература:

1.  Углеродные нанотрубки.Материалы для компьютеров XXI века,  П.Н.Дьячков // Природа № 11, 2000 г.

2.  Carbon nanotube arrays onsilicon substrates and their possible application, Shoushan Fan et al. // Physica E 8 (2000) 179-183

3.  A carbonnanotube composite as an electron transport layer for M3EH-PPV basedlight-emitting diods, P. Fournet et al. // Synthetic Metals 121 (2001) 1683-1684

4.  Manipulation ofCarbon Nanotubes and Properties of Nanotube Field-Effect Transistors and Rings,H. R. Shea et al. // MicroelectronicEngineering  46 (1999) 101-104

5.  Single-wallcarbon nanotube based devices,  J. Lefebvre et al. // Carbon  38 (2000) 1745–1749

6.  An under-gatetriode structure field emission display with carbon nanotube emitters,  Y.S.Choi et al. // Diamondand Related Materials  10 (2001) 1705-1708

7.  МатериалыИнтернета.

 

еще рефераты
Еще работы по физике