Углеродные нанотрубки.
Углеродные нанотрубки представляют собой свернутый в трубу графеновый лист. Многообразие форм нанотрубки принято описать с помощью понятия хиральности. Хиральность показывает, как проходит окружность, перпендикулярная оси сечения.
α – угол между вектором трансляции и осью.
Сворачивание влияет на кристаллическое строение нанотрубки, в некоторых случаях она остается шестиугольной, без образования пяти- и семиугольных элементов. Нанотрубки случайной хиральности могут быть с искажениями атомной структуры.
Свойства нанотрубок:
Зависимость от хиральности.
Металлические и полупроводниковые нанотрубки
Высокие эмиссионные свойства
Влияние адсорбции, наносенсорика.
Электрические свойства.
Возникают большие механические напряжения, что приводит к искажению электронной структуры. В нанотрубке не очень много атомов (при хиральности = 1 сотни атомов), формируются не энергетические зоны, а отдельные состояния.
Перекрытие свободных состояний описывается формулой:
M – n = 3q (разница чисел хиральности, кратная трем).
Известно, что нужно для придания металлических свойств нанотрубкам, а что для полупроводниковых свойств. Массового производства нет, потому что нет промышленного способа получить нанотрубку определенной хиральности.
Эмиссионные свойства.
Оказалось, что в силу своей специфической структуры нанотрубки обладают эмиссионными свойствами, в частности полевой эмиссии. Пороговые напряженности для них оказались на порядок-два меньше типичных металлических диоксидных катодов, применяемых сейчас.
Полевая эмиссия описывается формулой Фаулера-Норгейма.
При напряженностях порядка 106-107 В/м плотность тока начинает нарастать.
Получение нанотрубок.
Получение нанотрубок из п/п материалов или металлов с размерами порядка 10 нм сложно сделать управляемым.
1. Электродуговой метод. Зажигается искра, происходит распыление анода. Оно происходит кластерами, которые сворачиваются в нанотрубки.
2. Метод лазерной абляции с таким же принципом, как и у электродугового метода – отделение небольшого количества вещества и последующее сворачивание. Отделившиеся и собравшиеся в фурелены и нанотрубки конденсируются на охлаждающих частях установки, оставаясь в твердом состоянии. Ввиду образования достаточно сильных частей при сильном нагреве обратно в графит они не превращаются.
3. Химическое осаждение – газ органического вещества нагревается до такой степени, что начинает распадаться на отдельные элементы, и при выделении углерода при высокой температуре он собирается (сам) в нанотрубки. Могут применяться катализаторы либо химические реакции (HCl для отбирания водорода).
Возможности создания приборов с применением нанотрубок.
1. Диод на изогнутой нанотрубке. К концам подводятся золотые электроды. Изогнутость вызывает смещение энергетических уровней, в итоге, в данном случае эффективная Хиральность меняется таким образом, что слева нанотрубка обладает металлическими свойствами, справа полупроводниковыми. В таком случае, в электрическом отношении нанотрубка должна вести себя как диод Шоттки. Такая система является выпрямляющим диодом.
2. Транзисторы. Применяют два различных варианта – на металлической и полупроводниковой трубке. Трубка не изогнута, но так же остаются два электрода (может быть три). Нанотрубка лежит на напыленных металлических электродах (платина, золото), расположена на достаточно тонком слое диоксида кремния, под диоксидом кремния расположена кремниевая подложка в качестве электрода. Вся эта конструкция сильно напоминает полевой транзистор, где нанотрубка выполняет функции канала. Поэтому, проще понять работу п/п нанотрубки. Электрическое поле изменяет проводимость нанотрубки.
В полупроводниковой нанотрубке есть затвор, и слой подложки, который образует электрическое поле, которое изменяет проводимость канала.
Таким образом, такая конструкция может работать в качестве полевого транзистора.