2. Нанодиод

Еще одно из применений углеродных нанотрубок в наноэлектронике – создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа металл-полупроводник или стык двух разных полупроводников с различными значениями ширины запрещенной зоны. На границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями образуется электронно-дырочный переход, обладающей односторонней проводимостью. Именно этот эффект используется при создании выпрямителей – полупроводниковых диодов.

Нанодиод выполнен по обычной схеме путем соединения двух полупроводников: одного с электронной, а другого с дырочной проводимостью. В случае традиционных полупроводников на базе кремния тип проводимости задается с помощью примесей, создающих избыток или, напротив, недостаток электронов в структуре вещества.

Для изготовления полупроводниковой гетероструктуры с применением углеродных нанотрубок не надо выращивать отдельно два материала и затем "сваривать" их друг с другом. Цилиндрические неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродных шестиугольников. Если в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект, а именно, углеродный шестиугольник заменить, например, на пятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, нанотрубка изогнется. С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродных шестиугольников оказывается различной. Но с изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр, положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т.п. Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая – полупроводником. Таким образом, эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

В частности, для приведенного на рис. 2 случая, слева относительно изгиба нанотрубка должна быть металлической, а справа - полупроводниковой.

Р ис. 2. Влияние дефекта семиугольник-пятиугольник на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов (б).

Если рассматривать данные куски нанотрубки изолированно, с разных сторон относительно изгиба электроны на уровне Ферми обладают разной энергией. В единой системе выигрыш в энергии приводит к перетеканию заряда и образованию потенциального барьера. Электрический ток в таком переходе течет только в том случае, если электроны перемещаются из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей. Иначе говоря, ток может течь только в одном направлении. “Одностороннее” прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода - одного из основных элементов электронных схем (рис.3).

В будущем такие нанодиоды смогут найти применение в компьютерной отрасли, индустрии связи, при изготовлении различных датчиков и другого электронного оборудования.

Р ис. 3. Выпрямляющий диод на изогнутой нанотрубке.

Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами (а); вольт-амперная характеристика для такой системы (б).