Ідеальна нанотрубка - це циліндр, отриманий при згортанні плоскої гексагональної сітки графіту без швів (рис. 16.12). Взаємна орієнтація гексагональної сітки графіту і поздовжньої осі нанотрубки визначає дуже важливу структурну характеристику нанотрубки, яка отримала назву хиральности. Хіральність характеризується двома цілими числами (m, n), які вказують місцезнаходження того шестикутника сітки, який в результаті згортання повинен співпасти з шестикутником, що знаходяться на початку координат.
Індекси хиральности одношарової трубки визначають її діаметр D:
де do = 0,142 нм - відстань між атомами вуглецю в гексагональної сітці графіту. Наведене вираз дозволяє по діаметру нанотрубки визначити її хіральність.
Ріс.16.12. Ідеальна модель одношарової нанотрубки.
Структура одношарових нанотрубок, що спостерігаються експериментально, у багатьох відношеннях відрізняється від представленої вище ідеалізованої картини. Перш за все це стосується вершин нанотрубки, форма яких, як випливає з спостережень, далека від ідеальної півсфери.
Побудова електронних елементів на основі нанотрубок
Для створення електронних пристроїв і їх об'єднання в складні прилади потрібні напівпровідники і матеріали мають високу електропровідність. Нанотрубки з різними значеннями індексів (n, m) - це полімери різної будови, а тому вони повинні володіти різними електричними властивостями.
Діоди. Циліндричні неізогнутие нанотрубки утворюються з повторюваних вуглецевих шестикутників. Якщо вуглецевий шестикутник замінити, наприклад, на п'ятикутник, семикутник або на два таких дефекту, як показано на рис. 16.13, нанотрубка зігнеться.
З різних сторін щодо вигину орієнтація вуглецевих шестикутників виявляється різною. Але зі зміною орієнтації шестикутників по відношенню до осі нанотрубки змінюється її електронний спектр, положення рівня Фермі, ширина оптичної щілини і т.п.
Якщо розглядати дані шматки нанотрубки ізольовано, з різних сторін щодо вигину електрони на рівні Фермі володіють різною енергією. В єдиній системі виграш в енергії призводить до перетікання заряду і утворення потенційного бар'єру. Електричний струм в такому переході тече тільки в тому випадку, якщо електрони переміщаються з області нанотрубки з більшою енергією Фермі в область з меншою. Інакше кажучи, струм може текти тільки в одному напрямку. «Одностороннє» проходження струму через нанотрубку з вигином використовується для створення випрямляючих діода - одного з основних елементів електронних схем (рис. 16.14).
Ріс.16.13. Вплив дефекту семикутник-п'ятикутник на геометрію нанотрубки (а) і енергію рухомих електронів (б)
Польовий транзистор. На основі напівпровідникової або металевої нанотрубки вдалося зробити польові транзистори, що працюють при кімнатній (в першому випадку) і наднизької (у другому) температурі. Польові транзистори (тріоди) - електронні пристрої, на перенесення заряду в яких впливає зовнішнє (управляє) електричне поле, що використовується в підсилювачах електричного сигналу, перемикачах і т.п.
У транзисторі на напівпровідникової нанотрубке електричне поле управляє концентрацією носіїв в зонах делокалізованних станів (рис. 16.15). У напівпровідникової нанотрубке стану валентної зони відокремлені від станів зони провідності енергетичної щілиною - забороненою зоною. Через наявність цієї щілини при звичайних умовах концентрація носіїв в зонах мала і нанотрубка володіє високим опором. При подачі на третій електрод (затвор) електричного потенціалу U в області нанотрубки виникає електричне поле і вигин енергетичних зон змінюється. При цьому концентрація дірок у валентній зоні (і відповідно електропровідність) зростає по експонентному закону зі зміщенням краю зони щодо рівня Фермі. При потенціалі затвора близько -6 У концентрація дірок досягає максимального значення, опір - мінімального, а нанотрубка стає металевої.
Ріс.16.14. Випрямляючий діод на вигнутій нанотрубке. Нанотрубка лежить на непроводящей (кварцовою) підкладці в контакті з двома надтонкими проводами (а); вольт-амперна характеристика такої системи (б)
При створенні польового транзистора на металевій нанотрубке використовуються ефекти тунельного переносу електронів через нанотрубку по окремих молекулярних орбіталях. Через кінцевої довжини нанотрубки її електронний спектр, строго кажучи, не безперервний, а дискретний, з відстанню між окремими рівнями
1 МеВ при довжині нанотрубки
1 мкм. Такий характер розщеплення рівнів, звичайно, не позначається на електропровідності нанотрубки, наприклад при кімнатній температурі (0,025 еВ), але повністю визначає її електричні властивості при температурі нижче 1 К.
Провідність металевої нанотрубки в таких умовах обумовлена тим, що електрони перескакують (туннелируют) з верхнього заповненого рівня катода на проводить дискретний рівень нанотрубки, а потім з нанотрубки на нижній незаповнений рівень анода. В межах нанотрубки тунелювання електрона відбувається дуже легко (практично без розсіювання і без втрат енергії) за рахунок -електронних станів, делокалізованних на всю довжину нанотрубки. Висока металева провідність в електричному ланцюзі можлива в разі, якщо легко здійснюється перенесення електронів між нанотрубки і електродами.
Ріс.16.15. Польовий транзистор на напівпровідникової нанотрубке: нанотрубка лежить на непроводящей (кварцовою) підкладці в контакті з двома надтонкими проводами, в якості третьої електрода (затвора) використовується кремнієвий шар (а); залежність провідності в ланцюзі від потенціалу затвора (б)
Електромеханічний резонанс. Перетворення електричних коливань в механічні потрібно для створення різних пристроїв, наприклад електроакустичних головок. Для збудження коливань нанотрубки під дією електричного поля її закріплюють на одному з двох електродів, на цей раз під кутом до другого електроду. При подачі на електроди електричної напруги трубка заряджається і за рахунок електростатичного притягання відхиляється до другого електроду. Якщо на електроди подати змінна напруга, частота якого збігається з частотою власних коливань нанотрубки, що залежать від її товщини і довжини, виникнуть механічні коливання нанотрубки.
Квантові дроти. Теоретичні та експериментальні дослідження електричних і магнітних властивостей нанотрубок виявили ряд ефектів, які вказують на квантову природу переносу заряду в цих молекулярних проводах і можуть бути використані в електронних пристроях.
Провідність звичайного дроту обернено пропорційна його довжині і прямо пропорційна поперечним перерізом, а в разі нанотрубки вона не залежить ні від її довжини, ні від її товщини і дорівнює кванту провідності 2e2 / h (12.9 кОм -1) - граничного значення провідності, яке відповідає вільному переносу делокалізованних електронів по всій довжині провідника. При звичайній температурі спостерігається значення щільності струму (10 7 Асм -2) на два порядки перевершує досягнуту зараз щільність струму в надпровідниках.
Нанотрубка, яка знаходиться при температурах близько 1 До в контакті з двома надпровідними електродами, сама стає надпровідників. Цей ефект пов'язаний з тим, що куперовские електронні пари, які утворюються в надпровідних електродах, не розпадаються при проходженні через нанотрубку.
При низьких температурах на металевих нанотрубках спостерігали ступеневу зростання струму (квантування провідності) при збільшенні напруги зсуву V, прикладеного до нанотрубке: кожен стрибок відповідає появи чергового делокалізованних рівня нанотрубки в проміжку між рівнями Фермі катода і анода.
Нанотрубки володіють яскраво вираженим магнітоопором: електропровідність сильно залежить від індукції магнітного поля. Якщо прикласти зовнішнє поле в напрямку осі нанотрубки, спостерігаються помітні осциляції електропровідності: коливальний характер залежності останньої від потоку магнітної індукції В через нанотрубку пояснюється ефектом Ааронова-Бома (залежністю фази електронної хвилі відп). У разі перпендикулярного орієнтації поля спостерігається зростання електропровідності, яке відображає модифікацію енергетичного спектра - освіту рівня Ландау в точці перетину валентної зони і зони провідності, що дає зростання щільності станів на рівні Фермі.