Szén nanocsövek

Az ideális nanotube egy olyan henger, amelyet egy sík hatszögletű grafit grafikonjának összecsukásával nyernek össze (16.12. Ábra). A grafit hatszögletű rácsának és a nanocső hosszanti tengelyének kölcsönös tájolása meghatározza a nanotube nagyon fontos szerkezeti jellemzőjét, amelyet királisnak neveznek. A kiralitást két egész szám (m, n) jellemzi, amelyek a rács hatszögének helyét jelzik, amely az alvadás eredményeképpen megegyezik a hatszög eredetével.

Az egyrétegű cső kiralitási indexei határozzák meg a D átmérőjét:

ahol a = 0,142 nm a grafitos hatszögletű rács közötti szénatomok közötti távolság. A megadott kifejezés lehetővé teszi annak kiralitását a nanocső átmérőjéből.

Ris.16.12. Az egyrétegű nanocső ideális modellje.

Az egyfalú nanocsövek szerkezete - kísérletileg megfigyelhető - sok tekintetben eltér a fent bemutatott idealizált képtől. Először is ez a nanotube csúcsaira vonatkozik, amelyek alakja a megfigyelésekből következően messze az ideális félgömbtől távol van.

Nanotengelyeken alapuló elektronikus elemek építése

Elektronikus eszközök létrehozása és összetett készülékekhez való illesztéshez félvezetők és nagy elektromos vezetőképességű anyagok szükségesek. A különböző értékű (n, m) indexű nanocsövek különböző szerkezetű polimerek, ezért különböző elektromos tulajdonságokkal kell rendelkezniük.

Diódák. A hengeres nem hajlított nanocsövek ismétlődő szén-hexagonokból vannak kialakítva. Ha a szén-hatszöget például egy ötszög, egy hepogon vagy két ilyen hiba váltja fel, amint az a 6. ábrán látható. 16.13, a nanocső kanyarodik.

A hajlításhoz képest a különböző oldalakon a szén-hexagonok orientációja másnak tűnik. De a hatszögek tájékozódása a nanocső tengelyéhez viszonyítva megváltozik, az elektronikus spektruma megváltozik, a Fermi-szint helyzete, az optikai rés szélessége stb.

Ha ezeket a nanotube-részeket elszigetelten tekintjük, akkor a különböző oldalakon lévő elektronok a hajlításhoz képest eltérő energiával rendelkeznek a Fermi-szinten. Egységes rendszerben az energia nyeresége a töltés túlcsordulásához és egy potenciális gát kialakulásához vezet. Elektromos áram folyik egy átmeneti, ha az elektronok a régió nagyobb nanocső Fermi energia az alsó tartományában. Más szavakkal, az áram csak egy irányba áramolhat. „One-way” keresztül áram folyjék a nanocső egy kanyarban létrehozásához használt egy egyenirányító dióda - egyik alapvető eleme az elektronikus áramkörök (ábra 16.14.).

Ris.16.13. A heptagon-pentagon-hiba hatása a nanocső (a) geometriájára és a mobil elektronok energiájára (b)

Mezőhatású tranzisztor. Félvezető vagy fémes nanocsövek alapján lehetőség volt térhatású tranzisztorok előállítására szobahőmérsékleten (első esetben) és ultra-alacsony (a második) hőmérsékleten. A térhatású tranzisztorok (triódák) olyan elektronikus eszközök, amelyek töltésátadását erősen befolyásolja egy külső (vezérlő) elektromos mező, amelyet elektromos jelerősítők, kapcsolók stb. Használnak.

Egy félvezető nanocsövön lévő tranzisztorban az elektromos mező szabályozza a hordozó koncentrációját a delokalizált állapotokban (16.15. Ábra). Egy félvezető nanocsőben a kondenzációs sávok állapotai elválnak a vezetési sáv állapotától egy energiahézagtól - a tiltott sávtól. Ennek a résnek normál körülmények között való jelenléte miatt a zónákban a hordozó koncentrációja kicsi, és a nanotube nagy ellenállást mutat. Ha a harmadik elektródra (kapu) elektromos U potenciálra kerül, elektromos mező jelenik meg a nanocsőrésszel és az energiatartomány hajlítási változása. Ebben az esetben a valenciasávban (és ennek megfelelően az elektromos vezetőképességben) lévő lyukkoncentráció exponenciálisan növekszik a sáv szélén a Fermi szinthez képest. Kb. -6 V kapumozgással, a lyukkoncentráció eléri a maximális értékét, az ellenállás minimális, a nanocső pedig fémes lesz.

Ris.16.14. Egyenesítő dióda egy hajlított nanocsőre. A nanocső egy nem vezető (kvarc) hordozóra épül, amely két hiperfinom vezetékkel érintkezik (a); az ilyen rendszer áramfeszültség jellemzője (b)

Egy mező-effektus tranzisztor létrehozásánál egy fém nanocsőnél nanotubon keresztül történő alagútelektron transzportot használnak az egyes molekuláris pályákhoz. A nanocső véges hosszúsága miatt az elektron spektruma szigorúan nem folyamatos, hanem diszkrét, az egyes szintek közötti távolsággal

1 meV egy nanocső hosszánál

1 μm. A szintek ilyen típusú felosztása természetesen nem befolyásolja a nanocsövek elektromos vezetőképességét, például szobahőmérsékleten (0,025 eV), de teljesen meghatározza az elektromos tulajdonságait 1 K alatti hőmérsékleten.

A vezetőképesség a fém nanocsövek ilyen körülmények között annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronok ugrás (tunneling) a felső szinten, hogy az elkészült katód vezető diszkrét szintet nanocsövek, nanocsövek majd az alsó szint üres anód. Belül nanocső elektron alagút következik be könnyen (kevés vagy semmilyen szóródás nélkül energiaveszteség) miatt -elektron állapotok, delokalizált a teljes hossza a nanocső. A nagy fémvezetőképesség az elektromos áramkörben akkor lehetséges, ha a nanotube és az elektródok közötti elektronátvitel könnyen elvégezhető.

Ris.16.15. A térvezérlésű tranzisztor a félvezető nanocső: nanocső nyugszik egy nem vezető (kvarc) szubsztrát érintkezésbe két ultravékony vezetékek a szilícium réteg (a) alkalmazunk, mint a harmadik elektród (gate); a vezetőképesség függése az áramkörben a kapu potenciálján (b)

Elektromechanikus rezonancia. Az elektromos rezgések mechanikai rázkódásokká történő átalakítása különböző eszközök, például elektroakusztikus fejek létrehozásához szükséges. A nanocső vibrációinak gerjesztése egy elektromos mező hatása alatt a két elektród egyikén van rögzítve, ezúttal a második elektródhoz képest. Amikor az elektródákra elektromos feszültséget alkalmaznak, a csövet feltöltik, és az elektrosztatikus attrakció miatt a második elektródra tolódik. Ha az elektródákra olyan váltakozó feszültséget alkalmaznak, amelynek frekvenciája egybeesik a nanocső természetes frekvenciájával, annak vastagságától és hosszúságától függően a nanocső mechanikai rezgései keletkeznek.

Kvantumhuzalok. A nanocsövek elektromos és mágneses tulajdonságainak elméleti és kísérleti vizsgálata számos olyan hatással jár, amelyek a töltésátadás kvantum jellegét jelzik e molekuláris vezetékekben, és elektronikus eszközökben is alkalmazhatók.

Vezetőképesség normáivezetőben fordítottan arányos a hosszával és közvetlenül arányos a keresztmetszete, és abban az esetben a nanocsövek nem függ a hossza, sem a vastagsága és vezetőképessége a kvantum 2E2 / h (12,9 kW -1) - vezetési határérték, amely megfelel a szabad a delokalizált elektronok átvitele a vezeték teljes hosszában. A szokásos hőmérsékleteken a megfigyelt áramsűrűség (10 7 Acm -2) két nagyságrenddel nagyobb, mint az eddig elért szupravezetők áramsűrűsége.

A nanocső, amely kb. 1 K hőmérsékleten, két szupravezető elektródával érintkezik, maga is szupravezetővé válik. Ez a hatás annak a ténynek tudható be, hogy a szupravezető elektródákban képződött Cooper-elektronpárok nem bomlanak át a nanocsőn keresztül.

Alacsony hőmérsékleten a fémes nanocsövek megfigyelt lépésenkénti az áram növekedése (a vezetési kvantálási) növelésével az előfeszítő feszültség V alkalmazott nanocső: minden egyes ugrás megfelel a megjelenése a következő delokalizált nanocső réteg között a Fermi szintek a katód és az anód.

A nanocsövek kifejezett mágnesellenállással rendelkeznek: az elektromos vezetőképesség erősen függ a mágneses mező indukciójától. Ha alkalmazzuk a külső területen a tengely irányában a nanocső, vannak jelentős rezgések vezetőképesség: utolsó oszcilláló függését a mágneses indukció fluxus B magyarázzuk a nanocső Aharonov-Bohm hatás (elektron hullám fázis függőség PTV). Abban az esetben, merőleges iránya a mező megfigyelt növekedést a villamos vezetőképessége, amely tükrözi módosítása energia-spektrum - Landau képződését szintet a metszéspont a vegyérték sávja és a vezetési sáv, amely növeli állapotsűrűség a Fermi szinten.