XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

УДК 537.6

УСТРОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИИ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

(НАНОТРУБКИ.КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА НАНОТРУБОК)

Кирпиченкова С.А.

ФГБОУ ВО, Поволжский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики, Самара,

Введение

Углеродные нанотрубки (УНТ) - это трубки из углерода, диаметр которых обычно измеряется в нанометрах. Углеродные нанотрубки часто относятся к одностенным углеродным нанотрубкам (ОСУНТ) с диаметром в диапазоне нанометров[1]. Они были независимо открыты в 1993 году Иидзимой, Ичихаши и Бетьюном и др. в камерах с угольной дугой, аналогичных тем, которые используются для производства фуллеренов[1].

Одностенные углеродные нанотрубки являются одним из аллотропов углерода, промежуточным звеном между фуллереновыми клетками и плоским графеном. Одностенные углеродные нанотрубки, хотя и не сделаны таким образом, могут быть идеализированы как вырезы из двумерной гексагональной решетки атомов углерода, свернутых вдоль одного из векторов решетки Браве, чтобы сформировать полый цилиндр. В этой конструкции периодические граничные условия накладываются по длине этого вектора сворачивания, чтобы получить спиральную решетку из бесшовно связанных атомов углерода на поверхности цилиндра. Углеродные нанотрубки также часто относятся к многостенным углеродным нанотрубкам (MWCNT), состоящим из вложенных одностенных углеродных нанотрубок, слабо связанных вместе ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями в древовидной кольцевой структуре. Эти трубки очень похожи на длинные прямые и параллельные углеродные слои Оберлина, Эндо и Коямы, цилиндрически расположенные вокруг полой трубки. Многостенные углеродные нанотрубки также иногда используются для обозначения двух- и трехслойных углеродных нанотрубок [2]. Углеродные нанотрубки также могут относиться к трубкам с неопределенной структурой углеродных стенок и диаметром менее 100 нанометров. Такие трубки были открыты в 1952 году Радушкевичем и Лукьяновичем.   Хотя существуют нанотрубки других составов, большинство исследований было сосредоточено на углеродных. Поэтому квалификатор «углерод» часто остается неявным в акронимах, а имена сокращаются до NT, SWNT и MWNT. Длина углеродной нанотрубки, полученной обычными методами производства, часто не указывается, но обычно она намного больше ее диаметра. Таким образом, для многих целей не учитываются концевые эффекты, и длина углеродных нанотрубок считается бесконечной. Углеродные нанотрубки могут демонстрировать замечательную электропроводность, в   то время как другие являются полупроводниками[1,2]. Кроме того, они обладают исключительной прочностью на разрыв   и теплопроводностью, из-за ихнаноструктуры и прочности из связей между атомами углерода. Ожидается, что эти свойства будут ценными во многих областях техники, таких как электроника, оптика, композитные материалы (заменяющие или дополняющие углеродные волокна), нанотехнологии и другие приложения материаловедения. Свертывание гексагональной решетки в разных направлениях с образованием различных бесконечно длинных одностенных углеродных нанотрубок показывает, что все эти трубки не только обладают спиральной, но и поступательной симметрией вдоль оси трубки, а многие также обладают нетривиальной вращательной симметрией относительно этой оси. Кроме того, большинство из них являются хиральными, что означает, что трубка и ее зеркальное изображение не могут быть наложены друг на друга. Эта конструкция также позволяет маркировать одностенные углеродные нанотрубки парой целых чисел. Особая группа ахиральныходностенных углеродных нанотрубок - металлические, но все остальные являются полупроводниками с малой или средней шириной запрещенной зоны. Эти электрические свойства, однако, не зависят от того, катится ли гексагональная решетка - от задней части к передней или от передней к задней, и, следовательно, одинаковы для трубки и ее зеркального отображения [3].

Рис. 1. Вращающаяся однослойная зигзагообразная углеродная нанотрубка

1.Конструкции

Конструкция одностенных труб. Структура идеальной (бесконечно длинной) однослойной углеродной нанотрубки представляет собой структуру правильной гексагональной решетки, нарисованной на бесконечной цилиндрической поверхности, вершины которой являются положениями атомов углерода. Поскольку длина углерод-углеродных связей достаточно фиксирована, существуют ограничения на диаметр цилиндра и расположение атомов на нем. Конфигурации зигзага и кресла. При изучении нанотрубок зигзагообразный путь на графеноподобной решетке определяется как путь, который поворачивается на 60 градусов, попеременно влево и вправо, после прохождения каждой связи. Также принято определять путь кресла как путь, который делает два левых поворота на 60 градусов, за которыми следуют два правых поворота каждые четыре шага. На некоторых углеродных нанотрубках имеется замкнутый зигзагообразный путь, огибающий трубку. Говорят, что трубка имеет зигзагообразную форму или конфигурацию, или просто представляет собой зигзагообразную нанотрубку. Если вместо этого трубка окружена закрытой дорожкой для кресла, говорят, что она относится к типу кресла или кресельной нанотрубке. Бесконечная нанотрубка зигзагообразного (или кресельного) типа состоит полностью из замкнутых зигзагообразных (или кресельных) путей, соединенных друг с другом [4].

Рис. 2. Зигзагообразная нанотрубка. Кресло нанотрубка

Рис.3. "Нарезанное и развернутое" представление углеродной нанотрубки как полоски молекулы графена, наложенное на диаграмму полной молекулы (слабый фон). Стрелка показывает зазор A2, в котором атом A1 на одном крае полоски будет соответствовать противоположному краю, когда полоска свернута.

Стрелка показывает зазор A2, в котором атом A1 на одном крае полоски будет соответствовать противоположному краю, когда полоска свернута. Конфигурации зигзага и кресла - не единственные структуры, которые может иметь однослойная нанотрубка. Чтобы описать структуру обычной бесконечно длинной трубки, нужно представить ее разрезанным разрезом, параллельным ее оси, проходящим через некоторый атом A , а затем развернутым на плоскости так, чтобы ее атомы и связи совпадали с таковыми, воображаемого листа графена, точнее, с бесконечно длинной полосой этого листа. Две половинки атома A окажутся на противоположных краях полосы над двумя атомами A1 и A2 графена. Линия от A1 до A2 будет соответствовать окружности цилиндра, прошедшего через атом A , и будет перпендикулярна краям полосы [3;4].

Рис.4. Базисные векторы u и v соответствующей подрешетки, пары (n, m), которые определяют неизоморфные структуры углеродных нанотрубок (красные точки), и пары, которые определяют энантиомерыхиральных (синие точки)

В решетке графена атомы можно разделить на два класса в зависимости от направлений их трех связей. У половины атомов три связи направлены одинаково, а у половины - три связи повернуты на 180 градусов относительно первой половины. Атомы A1 и A2, которые соответствуют одному и тому же атому A на цилиндре, должны принадлежать к одному классу. Отсюда следует, что окружность трубки и угол полоски не произвольны, потому что они ограничены длиной и направлением линий, соединяющих пары атомов графена одного класса. Базисные векторы u и v соответствующей подрешетки, пары (n, m), которые определяют неизоморфные структуры углеродных нанотрубок (красные точки), и пары, которые определяют энантиомерыхиральных (синие точки). Пусть u и v - два линейно независимых вектора, которые соединяют атом графена A1 с двумя его ближайшими атомами с одинаковыми направлениями связи. То есть, если пронумеровать последовательные атомы углерода вокруг графеновой ячейки с C1 по C6, тогда u может быть вектором от C1 до C3, а v быть вектором от C1 до C5. Тогда для любого другого атома A2 с тем же классом, что и A1, вектор от A1 до A2 может быть записан как линейная комбинация n u + m v, где n и m - целые числа. И, наоборот, каждая пара целых чисел (n, m) определяет возможную позицию для A2. Для заданных n и m эту теоретическую операцию можно полностью изменить, нарисовав вектор w на решетке графена, разрезав полосу последней по линиям, перпендикулярным w через ее конечные точки A1 и A2, и скатав полосу в цилиндр, чтобы получить эти две точки вместе. Если эту конструкцию применить к паре (k,0), результатом будет зигзагообразная нанотрубка с замкнутыми зигзагообразными путями из 2 k атомов. Если его применить к паре (k,k), получится кресло-труба с закрытыми кресельными путями из 4 k атомов. Более того, структура нанотрубки не изменится, если полоску повернуть на 60 градусов по часовой стрелке вокруг A1 перед применением гипотетической реконструкции, описанной выше. Такой поворот меняет соответствующую пару (n, m) на пару (−2m, n + m). Отсюда следует, что многие возможные положения A2 относительно A1, то есть множество пар (n, m), соответствуют одному и тому же расположению атомов на нанотрубке. Так обстоит дело, например, с шестью парами (1,2), (−2,3), (−3,1), (−1, −2), (2, −3) и (3, −1). В частности, пары (k, 0) и (0, k) описывают одну и ту же геометрию нанотрубок. Этих избыточностей можно избежать, рассматривая только пары (n, m) такие, что n> 0 и m ≥ 0; то есть, где направление вектора w лежит между направлениями u (включительно) и v (исключая) [4,5].

Можно проверить, что каждая нанотрубка имеет ровно одну пару (n, m), удовлетворяющую этим условиям, которая называется типом трубки.

И наоборот, для каждого типа существует гипотетическая нанотрубка. Фактически, две нанотрубки имеют один и тот же тип тогда и только тогда, когда одна из них может быть концептуально повернута и сдвинута так, чтобы точно соответствовать другой. Вместо типа (n, m) структуру углеродной нанотрубки можно указать, задав длину вектора w (то есть окружность нанотрубки) и угол α между направлениями u и w, который может варьироваться от 0 (включительно) до 60 градусов по часовой стрелке (исключая). Если диаграмма нарисована с горизонтальным u, последнее - это наклон полосы от вертикали. Вот несколько развернутых диаграмм нанотрубок:

Рис.5.

Хиральная нанотрубка типа (3,1).

Хиральнаянанотрубка типа (1,3), зеркальное отображение типа (3,1).

Нанотрубка типа (2,2) - самая узкая «кресельная»

Нанотрубка типа (3,0) - самая узкая «зигзагообразная»

Хиральная нанотрубка типа (3,1). Хиральная нанотрубка типа (1,3), зеркальное отображение типа (3,1). Нанотрубка типа (2,2), самая узкая «кресельная». Нанотрубка типа (3,0), самая узкая «зигзагообразная».

Хиральность и зеркальная симметрия

Нанотруба является хиральной, если она имеет тип (n, m), с n>0 и m ≠ n; тогда её энантиомер (зеркальное отображение) имеет тип m , n ), отличный от ( n , m ). Эта операция соответствует зеркальному отображению развернутой полосы относительно линии L через A1, которая составляет угол 30 градусов по часовой стрелке от направления вектора u (то есть с направлением вектора u + v). Единственными типами ахиральных нанотрубок являются (k, 0) «зигзагообразные» трубки и (k, k) «кресельные» трубки.

Если два энантиомера следует рассматривать как одну и ту же структуру, тогда можно рассматривать только типы (n, m) с 0 ≤ m ≤ n и n> 0. Тогда угол α между u и w, который может находиться в диапазоне от 0 до 30 градусов. (включая оба), называется «хиральным углом» нанотрубки. Из n и m можно также вычислить длину окружности c, которая является длиной вектора w, который оказывается равным в пикометрах. Тогда диаметр трубки равен, то есть также в пикометрах. (Эти формулы являются приблизительными, особенно для малых n и m, когда связи натянуты; и они не учитывают толщину стенки) [4, 5].

Рис. 6. Окружность и диаметр

Угол наклона α между u и w и длина окружности c связаны с индексами типа n и m соотношением, где arg (x, y) - угол по часовой стрелке между осью X и вектором (x, y); функция, доступная во многих языках программирования как atan2(y,x). Наоборот, при заданных c и α тип (n, m) можно получить по формулам который должен быть целым. Если n и m слишком малы, структура, описываемая парой (n, m), будет описывать молекулу, которую нельзя разумно назвать «трубкой», и она может даже быть нестабильной. Например, структура, теоретически описываемая парой (1,0) (ограничивающий «зигзагообразный» тип), будет просто цепочкой атомов углерода. Это настоящая молекула, карбин; который имеет некоторые характеристики нанотрубок (такие как орбитальная гибридизация, высокая прочность на разрыв и т. д.), но не имеет пустот и может быть недоступен в виде конденсированной фазы. Пара (2,0) теоретически дала бы цепочку слитых 4-циклов; и (1,1), ограничивающая структура «кресло», дала бы цепочку из двух связанных 4-х колец. Эти конструкции не могут быть реализованы. Самой тонкой собственно углеродной нанотрубкой является структура кресла типа (2,2), имеющая диаметр 0,3 нм. Эта нанотрубка была выращена внутри многослойной углеродной нанотрубки. Определение типа углеродной нанотрубки было выполнено с помощью комбинации просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), рамановской спектроскопии и расчетов по теории функционала плотности (DFT). Самая тонкая свободностоящая однослойная углеродная нанотрубка имеет диаметр около 0,43 нм. Исследователи предположили, что это может быть либо (5,1), либо (4,2) ОСУНТ, но точный тип углеродной нанотрубки остается под вопросом. Углеродные нанотрубки (3,3), (4,3) и (5,1) (все диаметром около 0,4 нм) были однозначно идентифицированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения с коррекцией аберраций внутри двустенных УНТ [2, 5].

Вот некоторые типы трубок, которые являются «дегенеративными» из-за своей слишком узкой длины: Вырожденная «зигзагообразная» трубка (1,0). Вырожденная «зигзагообразная» трубка (2,0). Вырожденный «кресло» трубчатого типа (1,1). Возможно вырожденный тип хиральнойтрубки (2,1). В 2013 году было сообщено о наблюдении самых длинных углеродных нанотрубок, выращенных до сих пор, около 1/2 метра (длина 550 мм) [3]. Эти нанотрубки были выращены на кремниевых подложках с использованием улучшенного метода химического осаждения из паровой фазы (CVD) и представляют собой электрически однородные массивы однослойные углеродные нанотрубки. Самой короткой углеродной нанотрубкой можно считать органическое соединение циклопарафенилен, синтезированное в 2008 году. Высокая плотность УНТ была достигнута в 2013 году, выращенная на проводящий титане покрытых медной поверхности, покрытый сокатализатором кобальта и молибденом при более низком, чем обычные температурах 450 ° C. Трубки имели среднюю высоту 380 нм и массовую плотность . Материал показал омическую проводимость (наименьшее сопротивление ∼22 кОм). В научной литературе нет единого мнения по поводу некоторых терминов, описывающих углеродные нанотрубки: и «-стенный», и «-стенный» используются в сочетании с «одинарный», «двойной», «тройной» или «мульти», а буква C часто опускается в сокращении, например, многослойная углеродная нанотрубка (MWNT). Международная организация по стандартизации использует в своих документах одностенные или многостенные.

Рис. 7. Кресло с тройными стенками из углеродных нанотрубок

Многослойные нанотрубки (MWNT) состоят из множества свернутых слоев (концентрических трубок) графена. Существуют две модели, которые можно использовать для описания структуры многослойных нанотрубок. В модели RussianDoll листы графита расположены в концентрических цилиндрах, например, однослойная нанотрубка (0,8) (SWNT) внутри более крупной (0,17) однослойной нанотрубки. В модели «Пергамент» один лист графита свернут вокруг себя, напоминая свиток пергамента или свернутую газету. Расстояние между слоями в многослойных нанотрубках близко к расстоянию между слоями графена в графите, примерно 3,4 Å. Чаще встречается структура русской куклы. Его отдельные оболочки можно описать как ОСНТ, которые могут быть металлическими или полупроводниковыми. Из-за статистической вероятности и ограничений на относительные диаметры отдельных труб одна из оболочек и, следовательно, вся МУНТ, как правило, представляет собой металл с нулевым зазором. Двустенные углеродные нанотрубки (ДУНТ) образуют особый класс нанотрубок, поскольку их морфология и свойства аналогичны таковым у ОСНТ, но они более устойчивы к химическим веществам. Это особенно важно, когда необходимо привить химические функции к поверхности нанотрубок (функционализация) для придания свойств УНТ. Ковалентная функционализация SWNT разрывает некоторые двойные связи C = C, оставляя «дыры» в структуре на нанотрубке и, таким образом, изменяя ее механические и электрические свойства. В случае DWNT модифицируется только внешняя стена. Синтез DWNT в граммах методом CCVD был впервые предложен в 2003 году путем селективного восстановления оксидных растворов в метане и водороде. Способность внутренних оболочек к телескопическому перемещению и их уникальные механические свойства позволят использовать многостенныенанотрубки в качестве основных подвижных рычагов в будущих наномеханических устройствах. Сила втягивания, возникающая при телескопическом движении, вызвана леннард-джонсовским взаимодействием между оболочками, и ее значение составляет около 1,5нН. Соединения и сшивание Изображение перехода углеродных нанотрубок на просвечивающем электронном микроскопе Соединения между двумя или более нанотрубками широко обсуждались теоретически. Такие переходы довольно часто наблюдаются в образцах, приготовленных как дуговым разрядом, так и методом химического осаждения из газовой фазы. Электронные свойства таких переходов были впервые теоретически рассмотрены Ламбином и др. Указавшими, что соединение между металлической трубкой и полупроводниковой трубкой будет представлять собой гетеропереход наноразмеров. Таким образом, такой переход может образовывать компонент электронной схемы на основе нанотрубок. Столбчатый графен представляет собой класс трехмерных архитектур углеродных нанотрубок[4;5].Недавно в нескольких исследованиях была выявлена перспектива использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 100 нм во всех трех измерениях) полностью углеродных устройств. Lalwanietal сообщили о новом инициируемом радикалами методе термического сшивания для изготовления макроскопических, отдельно стоящих, пористых, полностью углеродных каркасов с использованием однослойных и многостенных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти каркасы обладают макро-, микро- и наноструктурированными порами, а пористость может быть адаптирована для конкретных применений. Эти трехмерные полностью углеродные каркасы / архитектуры могут быть использованы для изготовления следующего поколения аккумуляторов энергии, суперконденсаторов, автоэмиссионных транзисторов, высокоэффективных каталитических, фотоэлектрических и биомедицинских устройств, имплантатов и датчиков. Углеродные нанопучки - это недавно созданный материал, сочетающий в себе два ранее открытых аллотропа углерода: углеродные нанотрубки и фуллерены. В этом новом материале фуллереноподобные «почки» ковалентно связаны с внешними боковыми стенками нижележащей углеродной нанотрубки. Этот гибридный материал обладает полезными свойствами как фуллеренов, так и углеродных нанотрубок. В частности, они оказались исключительно хорошими полевыми излучателями. В композиционных материалах прикрепленные молекулы фуллерена могут действовать как молекулярные якоря, предотвращая скольжение нанотрубок, улучшая таким образом механические свойства композита. Углерода Peapod представляет собой новый гибрид углеродного материала, который задерживает фуллерен внутри углеродной нанотрубки. Он может обладать интересными магнитными свойствами при нагревании и облучении. Его также можно применять в качестве осциллятора при теоретических исследованиях и предсказаниях. Теоретически нанотор - это углеродная нанотрубка, изогнутая в тор (форму пончика). Предполагается, что нанотори будут обладать многими уникальными свойствами, такими как магнитные моменты в 1000 раз больше, чем предполагалось ранее для определенных радиусов. Такие свойства, как магнитный момент, термическая стабильность и т.д. Широко варьируются в зависимости от радиуса тора и радиуса трубки. Графеновые углеродные нанотрубки - это относительно новый гибрид, который сочетает в себе графитовые листы, выращенные вдоль боковых стенок многослойных или бамбуковых УНТ. Плотность слоёв может варьироваться в зависимости от условий осаждения (например, температуры и времени), при этом их структура варьируется от нескольких слоев графена (<10) до более толстых, более графитоподобных. Основным преимуществом интегрированной структуры графен- УНТ является трехмерный каркас УНТ с большой площадью поверхности в сочетании с высокой плотностью краев графена. Нанесение высокоплотных слоёв графена по длине ориентированных УНТ может значительно увеличить общую емкость заряда на единицу номинальной площади по сравнению с другими углеродными наноструктурами. Уложенные чашками углеродные нанотрубки (CSCNT) отличаются от других квазиодномерных углеродных структур, которые обычно ведут себя как квазиметаллические проводники электронов [2, 3].

3.Свойства

Многие свойства однослойных углеродных нанотрубок существенно зависят от типа(n, m), и эта зависимость немонотонна. В частности, ширина запрещенной зоны может изменяться от нуля до примерно 2 эВ, а электрическая проводимость может проявлять металлическое или полупроводниковое поведение [2].

3.1. Механические

Углеродные нанотрубки - самые прочные и жесткие материалы, которые когда-либо были обнаружены, с точки зрения прочности на разрыв и модуля упругости. Эта прочность является результатом ковалентных связей , образованных между отдельными атомами углерода. В 2000 году многослойная углеродная нанотрубка была испытана на прочность на разрыв 63 гигапаскаля (9 100 000 фунтов на квадратный дюйм). (Для иллюстрации это означает способность выдерживать натяжение веса, эквивалентного 6 422 килограммам-силам (62 980 Н; 14 160 фунтов силы) на кабеле с поперечным сечением 1 квадратный миллиметр (0,0016 кв. Дюйма)). Дальнейшие исследования, например, проведенное в 2008 году, показали, что отдельные оболочки УНТ имеют прочность до ≈100 гигапаскалей (15 000 000 фунтов на кв. Дюйм), что согласуется с квантово-атомистическими моделями. Поскольку углеродные нанотрубки имеют низкую плотность твердого тела от 1,3 до 1,4 г/см³, их удельная прочность до 48 000 кН·м·кг^-1 является лучшим из известных материалов по сравнению с 154 кН·м из высокоуглеродистой стали·кг⁻¹. Хотя прочность отдельных оболочек УНТ чрезвычайно высока, слабые сдвиговые взаимодействия между соседними оболочками и трубками приводят к значительному снижению эффективной прочности многослойных углеродных нанотрубок и пучков углеродных нанотрубок до нескольких ГПа. Это ограничение недавно было устранено путем применения облучения электронами высокой энергии, которое сшивает внутренние оболочки и трубки и эффективно увеличивает прочность этих материалов до ≈60 ГПа для многослойных углеродных нанотрубок и ≈17 ГПа для пучков углеродных нанотрубок с двойными стенками. УНТ не так прочны при сжатии. Из-за своей полой структуры и высокого удлинения они имеют тенденцию к короблению при воздействии сжимающего, скручивающего или изгибающего напряжения. С другой стороны, были свидетельства того, что в радиальном направлении они довольно мягкие. Первое наблюдение радиальной упругости с помощью просвечивающего электронного микроскопа показало, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут деформировать две соседние нанотрубки. Позже несколько групп выполняли наноиндентирование с помощью атомно-силового микроскопа для количественного измерения радиальной упругости многослойных углеродных нанотрубок, а атомно-силовая микроскопия в постукивающем / контактном режиме также проводилась на однослойных углеродных нанотрубках. Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показал, что УНТ действительно очень мягкие в радиальном направлении [2, 3].

3.2. Электрические

Ленточные структуры рассчитаны с использованием приближения сильной связи для (6,0) УНТ (зигзагообразные, металлические), (10,2) УНТ (полупроводниковые) и (10,10) УНТ (кресельные, металлические). В отличие от графена, который представляет собой двумерный полуметалл, углеродные нанотрубки являются либо металлическими, либо полупроводниковыми вдоль оси трубки. Для данной (n, m) нанотрубки, если n = m, нанотрубка является металлической; если n - m кратно 3, а n ≠ m и nm ≠ 0, то нанотрубка является квазиметаллической, с очень малой шириной запрещенной зоны, в противном случае нанотрубка является умеренным полупроводником. Таким образом, все нанотрубки кресла (n =m) металлические, а нанотрубки (6,4), (9,1) и т. Д. - полупроводники. Углеродные нанотрубки не являются полуметаллическими, потому что точка вырождения (точка, где π [связывающая] полоса встречается с π * [антисвязывающей] полосой, в которой энергия стремится к нулю) немного смещена от точки K в зоне Бриллюэна. из-за кривизны поверхности трубки, вызывая гибридизацию между антисвязывающими полосами σ * и π *, изменяя дисперсию полос. Правило относительно поведения металлических и полупроводниковых материалов имеет исключения, поскольку эффекты кривизны в трубках малого диаметра могут сильно влиять на электрические свойства. Таким образом, (5,0) ОСНТ, которые должны быть полупроводниками, согласно расчетам, являются металлическими. Точно так же зигзагообразные и хиральные ОУНТ с небольшими диаметрами, которые должны быть металлическими, имеют конечный зазор (нанотрубки кресла остаются металлическими). Теоретически металлические нанотрубки могут нести плотность электрического тока 4 × 10⁹ А / см², что более чем в 1000 раз больше, чем у металлов, таких как медь, где для медных межсоединений плотности тока ограничены электромиграцией.

Рис. 8. Ленточные структуры рассчитаны с использованием приближения сильной связи для (6,0) УНТ (зигзагообразные, металлические), (10,2) УНТ (полупроводниковые) и (10,10) УНТ (кресельные, металлические)

Таким образом, углеродные нанотрубки исследуются в качестве соединительных элементов и компонентов, повышающих проводимость в композитных материалах, и многие группы компаний пытаются коммерциализироватьвысокопроводящий электрический провод, собранный из отдельных углеродных нанотрубок. Однако существуют серьезные проблемы, которые необходимо преодолеть, такие как нежелательное насыщение тока под напряжением и гораздо более резистивные переходы нанотрубок и примеси, все из которых снижают электрическую проводимость макроскопических проволок нанотрубок на порядки величины по сравнению с к проводимости отдельных нанотрубок. Из-за наноразмерного поперечного сечения электроны распространяются только вдоль оси трубки. В результате углеродные нанотрубки часто называют одномерными проводниками. Максимальная электрическая проводимость однослойной углеродной нанотрубки составляет 2 G 0, где G 0 = 2 e 2 / h - проводимость одиночного баллистического квантового канала. Из-за роли π-электронной системы в определении электронных свойств графена, легирование углеродных нанотрубок отличается от легирования объемных кристаллических полупроводников из той же группы периодической таблицы (например, кремния). Графитовое замещение атомов углерода в стенке нанотрубки примесью бора или азота приводит к поведению p-типа и n-типа соответственно, как и следовало ожидать в кремнии. Однако некоторые незамещающие (интеркалированные или адсорбированные) легирующие примеси, введенные в углеродную нанотрубку, такие как щелочные металлы и богатые электронами металлоцены, приводят к проводимости n-типа, поскольку они отдают электроны π-электронной системе нанотрубки. Напротив, акцепторы π-электронов, такие как или электронодефицитные металлоцены, действуют как легирующие примеси p-типа, поскольку они оттягивают π-электроны от верха валентной зоны. Сообщалось о собственной сверхпроводимости, хотя другие эксперименты не нашли доказательств этого, поэтому это утверждение остается предметом споров [2, 3].

3.3. Оптические

Углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами поглощения, фотолюминесценции (флуоресценции) и спектроскопии комбинационного рассеяния. Спектроскопические методы предлагают возможность быстрой и неразрушающей характеризации относительно больших количеств углеродных нанотрубок. С промышленной точки зрения существует большая потребность в такой характеристике: многие параметры синтеза нанотрубок могут быть изменены, намеренно или непреднамеренно, для изменения качества нанотрубок. Как показано ниже, спектроскопия оптического поглощения, фотолюминесценции и комбинационного рассеяния позволяет быстро и надежно охарактеризовать это «качество нанотрубок» с точки зрения содержания нетрубчатого углерода, структуры (хиральности) полученных нанотрубок и структурных дефектов. Эти особенности определяют практически любые другие свойства, такие как оптические, механические и электрические свойства. Углеродные нанотрубки - это уникальные «одномерные системы», которые можно представить, как свернутые одиночные листы графита (или, точнее, графена). Эта прокатка может выполняться под разными углами и изгибами, что приводит к различным свойствам нанотрубок. Диаметр обычно варьируется в диапазоне 0,4–40 нм (то есть «всего» ~ 100 раз), но длина может изменяться ~ 10¹¹ раз, от 0,14 нм до 55,5 см. Соотношение сторон нанотрубки или отношение длины к диаметру может достигать 132 000 000: 1, что не может сравниться ни с одним другим материалом. Следовательно, все свойства углеродных нанотрубок по сравнению со свойствами типичных полупроводников чрезвычайно анизотропны (зависят от направления) и настраиваются. В то время как механические, электрические и электрохимические (суперконденсаторные) свойства углеродных нанотрубок хорошо известны и находят немедленное применение, практическое использование оптических свойств пока неясно. Вышеупомянутая возможность настройки свойств потенциально полезна в оптике и фотонике. В частности, в лаборатории созданы светодиоды (СИД) и фотодетекторы на основе одной нанотрубки. Их уникальной особенностью является не эффективность, которая пока еще относительно низкая, а узкая избирательность по длине волны излучения и регистрации света и возможность его тонкой настройки за счет структуры нанотрубок. Кроме того, на ансамблях однослойных углеродных нанотрубок реализованы болометры и оптоэлектронные запоминающие устройства. Кристаллографические дефекты также влияют на электрические свойства трубки. Обычный результат - пониженная проводимость в дефектной области трубки. Дефект в трубках кресельного типа (которые могут проводить электричество) может привести к тому, что окружающая область станет полупроводниковой, а одиночные одноатомные вакансии индуцируют магнитные свойства [3, 4].

3.4. Термические

Ожидается, что все нанотрубки будут очень хорошими проводниками тепла вдоль трубки, демонстрируя свойство, известное как «баллистическая проводимость», но хорошие изоляторы поперек оси трубки. Измерения показывают, что отдельная ОСНТ имеет теплопроводность при комнатной температуре вдоль оси около 3500 сравните это с медью, металлом, хорошо известным своей хорошей теплопроводностью, который пропускает . Отдельные ОСНТ имеют теплопроводность при комнатной температуре в поперечном направлении от своей оси (в радиальном направлении) около

, что примерно так же теплопроводно, как и почва. Макроскопические сборки нанотрубок, таких как пленки или волокна, на данный момент достигли мощности . Сети, состоящие из нанотрубок, демонстрируют разные значения теплопроводности, от уровня теплоизоляции с теплопроводностью до таких высоких значений. Это зависит от степени теплового сопротивления системы, вызванного наличием примесей, перекосов и других факторов. Температурная стабильность углеродных нанотрубок оценивается до 2800° C в вакууме и около 750° C на воздухе. Кристаллографические дефекты сильно влияют на тепловые свойства трубки. Такие дефекты приводят к рассеянию фотонов, что, в свою очередь, увеличивает скорость релаксации фононов. Это уменьшает длину свободного пробега и снижает теплопроводность структур нанотрубок. Моделирование переноса фононов показывает, что дефекты замещения, такие как азот или бор, в первую очередь приводят к рассеянию высокочастотных оптических фононов. Однако более крупномасштабные дефекты, такие как дефекты Стоун-Уэльса, вызывают рассеяние фононов в широком диапазоне частот, что приводит к большему снижению теплопроводности [4, 5].

Список литературы

Wildoer, JWG; Венема, ЛК; Rinzler, AG; Смолли, RE; Деккер, К. (1 января 1998 г.). «Электронная структура атомно-разрешенных углеродных нанотрубок». Природа.

Бербер, Савас; Квон, Ён-Кюн; Томанек, Давид (15 мая 2000 г.). «Необычно высокая теплопроводность углеродных нанотрубок»

С. Б. Синнотт и Р. Эндрюс (2001). «Углеродные нанотрубки: синтез, свойства и применение». Критические обзоры в области твердого тела и материаловедения. 26 (3): 145–249.

Дас, Sudip (март 2013). «Обзор углеродных нанотрубок - новая эра нанотехнологий» (PDF). Международный журнал новейших технологий и передовой инженерии. 3 (3): 774–781.

Коллинз, Филип Дж.; Авурис, Федон (декабрь 2000 г.). «Нанотрубки для электроники». ScientificAmerican. 283 (6): 62–69. Углеродные нанотрубки - https://ru.qaz.wiki/wiki/Carbon_nanotube#cite_ref-Bever_12-0

Код для цитирования: Скопировать