13.5. Применение углеродных нанотрубок
Необычные свойства углеродных нанотрубок допускают множество возможных применений: от электродов батареек до электронных устройств и армирующих волокон для получения более прочных и легких композитов. Однако для реализации данного потенциала прочности необходимо разработать технологию крупномасштабного производства однослойных нанотрубок. Существующие методы синтеза обеспечивают лишь небольшой выход конечного продукта, стоимость которого в настоящий момент составляет 1500 долларов за 1 грамм! Методы, используемые для увеличения масштабов производства многослойных нанотрубок, должны лечь в основу широкомасштабного производства и однослойных нанотрубок. Предполагается, что если темп развития и совершенствования технологий сохранится, то в ближайшие 4-5 лет стоимость получения одного килограмма углеродных нанотрубок составит 10 долларов за килограмм.
13.5.1. Полевая эмиссия и экранирование
При приложении небольшого по величине электрического поля вдоль оси нанотрубки, с ее концов происходит очень интенсивная эмиссия электронов. Такое явление называют полевой эмиссией. Данный эффект легко наблюдать, прикладывая небольшое напряжение между двумя параллельными металлическими электродами, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок. Если достаточное количество трубок окажется перпендикулярными электроду, то будет иметь место полевая эмиссия. Одним из применений эффекта полевой эмиссии является усовершенствование плоских дисплеев современных компьютеров. В частности, фирма Samsung разрабатывает плоский дисплей, использующий электронную эмиссию углеродных нанотрубок, т.е. тонкая пленка из нанотрубок помещается в слой с управляющей электроникой и покрывается сверху стеклянной пластиной, покрытой слоем люминофора.
Другие производители электроники применяют эффект электронной эмиссии в осветительных вакуумных лампах, которые не уступают обычным лампам накаливания по яркости, но более долговечны и имеют значительно меньшее энергопотребление.
Высокая электрическая проводимость углеродных нанотрубок означает, что они будут плохо пропускать электромагнитные волны. Композитный пластик с нанотрубками может служить материалом, экранирующим электромагнитное излучение. Это очень важный момент для военных, развивающих методы управления, контроля и связи, принципиально по-новому защищенных от помех, в том числе и от электромагнитного импульса – основного поражающего фактора при ядерном взрыве.
13.5.2. Информационные технологии, электроника
Совсем недавно была показана возможность конструирования полевых транзисторов на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Схематически такое устройство изображено на рис. 13.11. При приложении небольшого напряжения к затвору по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. При протекании тока элемент находится в состоянии ″включено″, а при отсутствии тока – в состоянии ″выключено″. Обнаружено, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 106 раз, что сравнимо со значением проводимости для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения таких устройств будет очень маленьким, а тактовая частота переключения может составить 1-2 ТГц, что в 1000 раз быстрее современных процессоров. Сток и исток в таких устройствах формируются методами нанолитографии, диаметр соединяющей их нанотрубки составляет ~1 нм. Подобные малые размеры позволяют поместить на электронный чип большое количество переключателей. Пока полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок создаются в лабораторных условиях поштучно и для их использования в компьютерных чипах еще предстоит разработать недорогие способы массового производства.
Рис. 13.11. Устройство полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки
Другой активно развиваемой идеей является создание элементов компьютера из нанотрубок. Такой элемент представлял бы собой массив из параллельных нанотрубок на подложке (рис. 13.12). Над ними располагается другой массив нанотрубок, перпендикулярный первому массиву, причем точки переключения являлись бы переключателями – логическими элементами процессора.
Рис. 13.12. Схема логического элемента процессора на основе нанотрубок
Когда трубки не касаются друг друга, то переключатель разомкнут (логический сигнал 0), наоборот – замкнут (логический сигнал 1). Управление режимами переключения осуществляется токами, протекающими по нанотрубкам. По оценкам исследователей, на квадратном сантиметре подобной ИС можно расположить примерно 108 таких логических элементов.