O nanotubă ideală este un cilindru obținut prin plierea unei grilaje hexagonale plate de grafit fără cusături (Figura 16.12). Orientarea reciprocă a grilei hexagonale a grafitului și axa longitudinală a nanotubului determină o caracteristică structurală foarte importantă a nanotubului, care se numește chiralitate. Chiralitatea se caracterizează prin două numere întregi (m, n), care indică poziția hexagonului rețelei, care, ca rezultat al coagulării, trebuie să coincidă cu hexagonul la origine.
Indicii de chiralitate ai unui tub cu un singur strat determină diametrul lui D:
unde do = 0,142 nm este distanța dintre atomii de carbon într-o rețea hexagonală de grafit. Expresia dată dă posibilitatea de a-și determina chiralitatea de la diametrul nanotubului.
Ris.16.12. Modelul ideal al nanotubului cu un singur strat.
Structura nanotuburilor cu pereți unici, observată experimental, diferă în multe privințe de imaginea idealizată prezentată mai sus. În primul rând, aceasta se referă la vârfurile nanotuburilor, a căror formă, după cum rezultă din observații, este departe de emisfera ideală.
Construirea elementelor electronice bazate pe nanotuburi
Pentru a crea dispozitive electronice și a le combina în dispozitive complexe, sunt necesare semiconductori și materiale cu conductivitate electrică ridicată. Nanotuburile cu valori diferite ale indicilor (n, m) sunt polimeri de structuri diferite și, prin urmare, trebuie să aibă proprietăți electrice diferite.
Diode. Nanotuburile cilindrice non-curbe sunt formate din hexagoane de carbon repetate. Dacă hexagonul de carbon este înlocuit, de exemplu, de un pentagon, un heptagon sau de două astfel de defecte, așa cum se arată în Fig. 16.13, nanotuburile se vor îndoi.
Din diferitele părți în ceea ce privește îndoirea, orientarea hexagonilor de carbon se dovedește a fi diferită. Dar, cu o schimbare în orientarea hexagonilor față de axa nanotubului, spectrul său electronic se schimbă, poziția nivelului Fermi, lățimea decalajului optic și așa mai departe.
Dacă luăm în considerare aceste bucăți de nanotuburi izolate, electronii din diferitele părți în raport cu îndoirea au o energie diferită la nivelul Fermi. Într-un sistem unificat, câștigul de energie conduce la depășirea sarcinii și la formarea unei barieri potențiale. Curentul electric într-o astfel de tranziție curge numai dacă electronii se deplasează din regiunea unei nanotuburi cu o energie Fermi mai mare într-o regiune cu una mai mică. Cu alte cuvinte, curentul poate curge numai într-o singură direcție. Fluxul curent "într-o singură direcție" prin intermediul unei nanotuburi cu o îndoire este utilizat pentru a crea o diodă de rectificare - unul dintre elementele de bază ale circuitelor electronice (Figura 16.14).
Ris.16.13. Efectul unui defect heptagon-pentagon asupra geometriei unei nanotuburi (a) și a energiei electronilor mobili (b)
Efect tranzitoriu cu efect de câmp. Pe baza unei nanotuburi metalice sau semiconductoare, a fost posibil să se realizeze tranzistoare cu efect de câmp care funcționează la temperatura camerei (în primul caz) și la temperatura ultra-scăzută (în cea de-a doua). Field-effect tranzistori (triodes) sunt dispozitive electronice ale căror transfer de sarcină este puternic influențată de un câmp electric (de control), care este utilizat în amplificatoare de semnal electric, switch-uri, etc
Într-un tranzistor pe o nanotubă semiconductoare, câmpul electric controlează concentrația purtătorului în zonele de state delocalizate (fig.16.15). Într-o nanotubă de semiconductori, stările benzii de valență sunt separate de stările benzii de conducție printr-un decalaj energetic - banda interzisă. Datorită prezenței acestui spațiu în condiții normale, concentrația purtătorului în zone este mică și nanotubul prezintă rezistență ridicată. Când un potențial electric U este aplicat celui de-al treilea electrod (poarta), în zona nanotuburilor apare un câmp electric și schimbările de îndoire ale zonei energetice. În acest caz, concentrația orificiului în banda de valență (și, respectiv, conductivitatea electrică) crește exponențial cu o deplasare în marginea banda față de nivelul Fermi. Cu un potențial de poartă de aproximativ -6 V, concentrația găurilor atinge valoarea maximă, rezistența este minimă, iar nanotubul devine metalic.
Ris.16.14. Diodă de îndreptare pe o nanotubă curbă. Nanotubul se află pe un substrat neconductor (cuarț) în contact cu două fire hiperfine (a); caracteristica curent-tensiune a unui astfel de sistem (b)
Atunci când se creează un tranzistor cu efect de câmp pe o nanotubă metalică, transportul de electroni prin tunel este folosit pentru orbitale moleculare individuale. Datorită lungimii finite a nanotubului, spectrul său de electroni, strict vorbind, nu este continuu, ci discret, cu distanța dintre nivelurile individuale
1 meV la lungimea unei nanotuburi
1 pm. Acest tip de divizare a nivelelor, desigur, nu afectează conductivitatea electrică a nanotubului, de exemplu la temperatura camerei (0,025 eV), dar determină complet proprietățile sale electrice la temperaturi sub 1 K.
Conductivitatea nanotuburilor metalice în astfel de condiții, datorită faptului că saltul electronilor (tunele) de la nivelul superior la catod completat cu conductivitate nanotuburi nivel discrete, nanotuburi și apoi la nivelul inferior al anodului martor. In cadrul nanotub tunelare de electroni are loc foarte ușor (cu puțină sau fără împrăștiere și fără pierderi de energie) datorate electroni stări, delocalizate pe toata lungimea nanotub. Conductivitatea metalică ridicată în circuitul electric este posibilă dacă transferul de electroni între nanotub și electrozii este ușor de realizat.
Ris.16.15. Efectul câmpului tranzistor nanotub semiconductor: nanotub se bazează pe un substrat neconductor (cuart), în contact cu două fire ultrasubțiri în stratul de siliciu (a) este utilizat ca al treilea electrod (poarta); dependența conductivității în circuitul de pe potențialul porții (b)
Rezonanță electromecanică. Conversia vibrațiilor electrice în vibrații mecanice este necesară pentru a crea diferite dispozitive, de exemplu capete electro-acustice. Pentru a excita vibrațiile unei nanotuburi sub acțiunea unui câmp electric, acesta este fixat pe unul dintre cei doi electrozi, de această dată la un unghi față de cel de-al doilea electrod. Când se aplică tensiune electrică la electrozi, tubul este încărcat și, prin atragerea electrostatică, deviază spre cel de-al doilea electrod. Dacă se aplică o tensiune alternativă la electrozi, a căror frecvență coincide cu frecvența naturală a nanotubului, în funcție de grosimea și lungimea sa, apar vibrații mecanice ale nanotuburilor.
Sârme cuantice. Studiile teoretice și experimentale ale proprietăților electrice și magnetice ale nanotuburilor au dezvăluit o serie de efecte care indică natura cuantică a transferului de sarcină în aceste fire moleculare și pot fi utilizate în dispozitivele electronice.
Conductivitate conductor normală este invers proporțională cu lungimea sa și direct proporțional cu secțiunea transversală, iar în cazul nanotuburilor nu depinde de lungimea sa, nici asupra grosimii și conductivitatea cuantei este 2e2 / h (12,9 kW -1) - conducție valoare limită, ceea ce corespunde liber transferul electronilor delocalizați de-a lungul întregii lungimi a conductorului. La temperaturi obișnuite observate valoarea densității de curent (10 iulie Asm -2) sunt acum atinse două ordine de mărime mai mare decât densitatea de curent în supraconductori.
Nanotubul, care este localizat la temperaturi de aproximativ 1 K în contact cu doi electrozi supraconductori, devine el însuși un superconductor. Acest efect se datorează faptului că perechile de electroni Cooper formate în electrozi supraconductori nu se distrug în timp ce trec prin nanotuburi.
La temperaturi scăzute ale nanotuburilor metalice observate creșterea în trepte a curentului (cuantizarea conductie) prin creșterea tensiunii de polarizare V aplicată nanotub: fiecare salt corespunde apariția următorului strat nanotub delocalizat între nivelurile Fermi de catod și anod.
Nanotuburile au o magnetorezistență pronunțată: conductivitatea electrică depinde puternic de inducerea câmpului magnetic. Dacă aplicăm câmpul magnetic extern în direcția axei nanotub, există oscilații semnificative de conductivitate: ultima dependență oscilatorie a fluxului magnetic de inducție B este explicată prin nanotub efect Aharonov-Bohm (electroni fază val dependență PTV). În cazul orientării perpendiculare câmpului este creșterea observată a conductivității electrice care reflectă modificarea spectrului energetic - Landau nivelul formării la punctul de intersecție al benzii de valență și banda de conducție, care dă o densitate creștere de stări la nivelul Fermi.