Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

~o Глава5. Углеродныенаносmрук:mуры

до К+, а их электроны связываются с С60, который становится отрицательным ионом CJo. Таким образом, каждая молекула С6!)получает три лишних электро­

на, слабо связанных с молекулой и способных передвигаться по кристаллу, что делает С60 электропроводным. В таком случае говорят, что СБQ допирован элек­

тронами.

5.3.5. Сверхпроводимость в С60

~2 Глава 5. Углеродныенаносmрукmуры

5.4. YrnepOAHble нано.рубки

Возможно, более интересными наноструктурамис широким потенциалом приме­ нения являются углеродные нанотрубки. Углеродную нанотрубкуможно предста­ вить себе как лист графита, свернутый в цилиндр. На рис. 5.11 показано несколь­ КО возможных структур, образованных сворачиванием графитового листа вокруг разных осей. Однослойная нанотрубка может иметь диаметр 2 им и длину 100 ми­ крон, что делает ее квазиодномерной структурой, способной служить нанопрово­ локой.

5.4.1. Методы пояучения

Углеродные ванотрубки можно получить лазерным испарением, углеродной дугой и химическим осаждением паров. На рис. 5.12 показана установка для проиэводст­ Ба нанотрубок лазерным испарением. Кварцевая труба, содержащая газообразный аргон и мишень из графита, нагреваетсядо 120О"с. Внутри трубки, но за пределами печи находится охлаждаемый водой медный коллектор. Графитовая мишень содер­ жит небольшие количества кобальта и никеля, выступающие в качестве каталити­ ческих зародышей образования нанотрубок. При попадании высокоинтенсивного

хвату атомов углерода из паровой фазы и их встраиванию в стенку трубки. Обычно при синтезе получается СМе<;Ь нанотрубок разных типов с различным

характером и величиной электропроводности. Группа из IBM разработала метод отделения полупроводящих нанотрубок от металлических. Для разделения сме­ шанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую подложку, а затем на эти пучки напыляют металлические электроды. Используя подложку как электрод, на него подают небольшое напряжение смещения, запирающее полупроводни­ ковые трубки и эффективно превращающее их в изоляторы. Затем между метал­ л~ескими электродами прикладывается высокое напряжение, создающее боль-

5--3043

~~ Глава 5. УгАеродныенанострухтуры

шой ТОК В металлических нанотрубках, ЧТО приводит К их испарению, после чего на подложке остаются только полупроводниковые ванотрубки.

5.4.2. Структура

Углеродныеканотрубкимогут иметь различнуюатомнуюструктуру, причемтруб­ ки разной структурыимеют разныесвойства. Хотя углеродныенанотрубкив дей­ ствительностии не образуютсяпутем сворачиванияграфитовыхплоскостей, раз­ ные структурытрубокможноразъяснить,рассматриваямысленныеспособы сво­ рачивания графитового листа в цилиндр. Так, например, нанотрубку можно получитьсворачиваяграфитовыйлист вокругоси Т, покаэвннойнарис. 5.14. Век­ тор Ch перпенликудярен Т и направлен вдоль окружности трубки. Три примера структуры нанотрубок, получающихся при сворачивании графитового листа во­ круг вектора т, по разному ориентированного относительно базисных направле­ ний графитовой плоскости, показаиы на рис. 5.11. Когда вектор Тперпендикуля­ рен С - С связям в углеродных шестиугольниках, образуется структура, гюкаэан­ ная на рис. 5.11а и называемая кресельной. Трубки, показанн:ые на рис. 5.11б и 5.11в, называют соответственно трубками зигзатовой и хиральной структуры. Они образуются сворачиванием вокруг других ориентаций вектора Тотноситель­ но графитового листа. Рассматривая трубку киральной структуры, можно увидеть спиральный ряд атомов углерода. Обычно нанотрубки закрыты с обоих концов, ЧТО требует введения пятиугольных топологических структур на каждом конце цилиндра. По существу, трубка является цилиндром, каждый конец которого эа-

5.4. Углеродныенаноmрубкu I ~

крыт половинкой большой фуллереноподобной структуры. В случае одностен­ ной нанотрубки на ее концах можно обнаружить металлические частицы, что свидетельствует в пользу каталитической роли атомов металла в формировании структуры трубки.

5.4.3. ЭлеlOllрu.,ескuе свойство

Наиболее интересное свойство углеродных нанотрубок заключается в том, что они ~~p быть металлическимиили полупроводящимив зависимостиот их ди­ аметрви хиральности.Термин хиральностьотноситсяк направлениюГсворачи­

5.4. Углеродныенанотрубки I ~

леродных трубок является очень малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов, а следовательно

и очень низкое сопротивление. Поэтому большой ТОК не нагревает трубку так, как он разогревает медный провод. Этому также способствует высокая теплопро­

.водность нанотрубок. Она почти вдвое превышает теплопроводность алмаза, что означает - трубки являются очень хорошими проводниками тепла.

Маrнитосопротивлением называется явление, в котором электросопротивле­ ние вещества меняется при наложении постоянного магнитного поля. Углерод­ ные нанотрубки при низких температурах демонстрируют магниторезистивный эффект; На рис. 5.18 показан график зависимости изменения относительного со­ противления нанотрубки от приложенного магнитного поля при 2,3 Ки 0,35 К. Это - отрицательный магнитореэисгивный эффект, так как сопро­ тивление уменьшается при увеличении магнитного поля, а обратная величина - проводимость G = l/R - увеличивается. Такой эффект является следствием того, что приложеиное к трубке магнитное поле приводит к появлению новых энерге­ тических уровней электронов, связанных с их спиральным движением в поле. Оказывается, что для нанотрубок эти уровни, называемые уровнями Ландау, на­ ходятся очень близко к наивысшему из заполненных уровней (уровню Ферми). Другими словами, появляется большее количество возможных состояний для

увеличения энергии электронов, что повышает проводимость материала.

5.4.4. Колебательныесвойства

Атомы в молекуле или наночастицеучаствуют в непрерывномтепловомдвиже­ нии. Каждая молекула обладает специфическим набором колебательных дви­ жений,называемыхнормальнымиколебательнымимодами, определяюшимися симметрией молекулы. Так, молекула двуокиси углерода СО2 со структурой

означает - модуль Юнга углеродной ванотрубки почти в десять раз больше, чем у стали. это подразумевает, что угле­

родная ванотрубка очень жесткая и трудно сгибаемая. Однако это не совсем так из-за того, что трубка очень тонка. Отклонение пустого ЦИЛИНДрического стерж­ ня длиной L, внутренним радиусом ri и внешним радиусом го под действием силы Р, приложенной к его концу нормально к оси, дается выражением

Так как толщина стенки однослойной нанотрубки составляет примерно 0.34 нм, значение г; - г: очень мало, что отчасти компенсируетбольшое значение Е.

Углеродная наногрубка очень упруга при изгибе. Она гнется как соломинка, но не ломается и может распрямиться без повреждений. Большинство материа­ лов ломаются при изгибе из-за присутствия дефектов, таких как дислокации и границы зерен. Так как стенки углеродных нанотрубок имеют мало структур­ ных дефектов, ЭТОГО не происходит. Другая причина того, что они не ломаются,

состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде почти правильных шести­

угольников при изгибе меняют СБОЮ структуру, но не рвутся. это является уни­

кальным следствием того факта, что угасрод-углеродные связи Sp2 гибридизиро­ ваны и могут перегибридиэироватъся при изгибе. Степень изменения и коэффи­

циенты s-p смешивания зависят от того, насколько изогнуты связи.

Разумеется, прочностъ и жесткость - не одно и то же. МОдУЛЬ Юнга является мерой жесткости ИЛИ упругости материала. Предел прочиости характеризует не­ обходимое для разрыва напряжение. Предел прочносги однослойной углеродной