научная статья по теме УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ - ФАНТАСТИКА НАЯВУ Энергетика

Текст научной статьи на тему «УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ - ФАНТАСТИКА НАЯВУ»

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ -

ФАНТАСТИКА НАЯВУ

_^

Кандидат физико-математических наук Е. А. КАЦ

Часть 3. Электронные свойства углеродных нанотрубок. Наноэлектроника и оптоэлектроника1

Когда будешь излагать науку,... не забудь под каждым положением приводить его практические применения, чтобы твоя наука не была бесполезна.

Леонардо да Винчи

Обладают ли углеродные нанотрубки такими свойствами, которые делают их применимыми в технологиях будущего? На этот вопрос уже сегодня можно ответить решительным "да". Более того, некоторые свойства углеродных нанотрубок не просто полезны, а поистине фантастичны.

Уже в 1992 г. были сделаны теоретические предсказания зонной структуры и электронных свойств однослойных углеродных нанотрубок2, которые были экспериментально подтверждены через 6 лет3.

Все атомы углерода в нанотрубках имеют тройную координацию, а значит, нанотрубки представляют собой сопряженные ароматические системы, в которых три из четырех валентных электронов каждого атома углерода образуют локализованные о-связи, а четвертый участвует в образовании делокализо-ванной п-системы (как, например, в бензоле). Эти п-электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому именно они

1 Начало см. 'Энергия: экономика, техника, экология", 2008, < 3, 4.

2 N. Hamada, S. Sawada, A. Oshiyama // Phys. Rev. Lett. 68 (1992), 1579-1581; R. Saito, M. Fujita, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus // Phys. Rev. V. 46 (1992), 1804-1811.

3J.W.G. Wildoer, L.C. Venema, A.G. Rinzler, R.E.

Smally//Nature. 391 (1998), 59-62; T.W. Odom, J.-L. Huang, P. Kim, C.M. Lieber//Nature. 391 (1998), 62-64.

© E. А. Кац

могут участвовать в переносе заряда. Теория объясняет электронные свойства углеродных нанотрубок квантовым ограничением движения электронов по нормали к оси нанотрубки. В радиальном направлении перемещения электронов ограничены толщиной монослоя графенового листа. Вдоль периметра нанотрубки возникают периодические граничные условия. Из-за этих квантовых ограничений электроны могут распространяться только вдоль оси нанотрубки, так что их волновые векторы направлены вдоль оси трубки. В итоге количество одномерных зон проводимости и валентных зон зависит от набора стоячих волн, которые возникают вдоль периметра нанотрубки. Эти простые соображения использовались при расче- § тах одномерных зон, которые связыва- § ют волновой вектор электрона с его | энергией. Результаты показали, что па- § раметры п и т нанотрубки определяют, Н какими свойствами она обладает: ме- | таллическими или полупроводниковы- ® ми. При этом химическая связь между | атомами углерода остается в обоих слу- | чаях одинаковой. В зависимости от их ^ § и 0, одна треть нанотрубок малого диа- | метра обладает металлическими свой- ®

о

ствами, в то время как другие две трети = являются прямозонными полупроводниками. В общем случае углеродная нано-

49

трубка (n, m) будет металлической, если n - m = 3q, где q- целое. Все armchair на-нотрубки обладают металлическими свойствами, так же как и одна треть всех возможных zigzag трубок (см. рис. 4-6 в Части 1 настоящей статьи - "Энергия: экономика, техника, экология", 2008, № 3). Ширина запрещенной зоны в полупроводниковых нанотрубках также зависит от их хиральности, убывая обратно пропорционально диаметру трубки.

Итак, на вопрос, являются ли углеродные нанотрубки металлами или полупроводниками, можно смело ответить: и тем и другим одновременно! Столь сильная зависимость электронных свойств нанотрубок от их структурно-геометрических параметров - первое из их удивительных качеств. Именно оно позволило предсказать возможность изготовления нанотрубчатых приборов с гетеропереходами металл/полупроводник из чистого углерода4. Чуть позже такие гетеропереходы были экспериментально реализованы5.

Если же научиться делать из нанотрубок и транзисторы, это будет означать прорыв в миниатюризации электроники и переходе ее на уровень нано-разме-ров. Более того, очевидно, что в этом случае создание электронных устройств и их объединение в сложные схемы, требующее наличия полупроводниковых приборов, коммутированных участками из материалов с металлической электропроводностью, может быть осуществлено только на основе углеродных нанотрубок. С этими соображениями связаны g серьезные ожидания, что в обозримом f будущем электронные схемы различных § приборов, в том числе современных ком-§ пьютеров, будут изготавливаться из уг-£ леродных нанотрубок. В результате бу-¡ дет достигнут теоретический предел ® плотности записи информации (порядка Ü одного бита на молекулу), и вычисли-§ тельные машины обретут практически " неограниченную память и быстродей-

s _

f 4 L. Chico, V.H. Crespi, L.X. Benedict, S.G. Louie, M.L. ' Cohen // Phys. Rev. Lett. 76 (1996), 971-974.

5P.G. Collins, A. Zettl, H. Bando, A. Thess, R.E. Smal-ly. Science. 278 (1997), 100-103.

ствие, лимитируемое только временем прохождения сигнала через прибор.

Перспективы использования нанотрубок, направленные на достижение революционного скачка в миниатюризации и быстродействии электроники, мы обсудим чуть позже. А пока остановимся подробнее на создании гетероперехода металл/полупроводник, так называемого диода Шоттки, на основе всего лишь одной, но изогнутой нанотрубки. Мы уже знаем, что положительную и отрицательную кривизну в фуллерено-подоб-ных структурах обеспечивают, соответственно 5- и 7-членные углеродные кольца. То есть, если углеродный шестиугольник с одной стороны трубки заменить пятиугольником, а с противоположной стороны - семиугольником, то нано-трубка изогнется (рис. 1а). При этом по разные стороны от места изгиба ориентация углеродных шестиугольников, а вместе с ней и электронная структура трубки, оказывается различной. На рис. 16 показан случай, когда это различие столь велико, что слева от изгиба нано-трубка является металлической, а справа - полупроводниковой, формируя молекулярный гетеропереход металл-полупроводник и на его основе - выпрямляющий нано-диод, один из основных элементов электронных схем (рис. 1в). Такой прибор был создан в 1997 г. (см. сноску 5).

Следующим этапом стало создание в 1998 году полевого транзистора6 на основе индивидуальной полупроводниковой нанотрубки7 (рис. 2) и в 2001 г. - логических схем на таких приборах8.

Поскольку полупроводниковые нанотрубки являются прямозонными полупроводниками, происходящая в них рекомбинация электронно-дырочных пар может приводить к эффективному ис-

6 Транзисторы (полевые и биполярные) - электронные устройства, на перенос заряда через которые оказывает сильное влияние внешнее (управляющее) электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т.п.

7S.J. Tans, A.R.M. Verschueren, С. Dekker// Nature. 393, 47-52 (1998).

8 A. Bachtold, P. Hadley, T. Nakanishi, С. Dekker // "Science. 294, 13-17-1320 (2001).

а.

<u

<=К

Металл

Изгиб

+

Полупроводник

Рис. 1:

а - изгиб углеродной нано-трубки за счет введения дефекта "семиугольник-пятиугольник"; б - влияние изгиба нанотрубки на энергию подвижных электронов; в - выпрямляющий диод Шоттки на изогнутой нано-трубке (нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами).

пусканию фотона - так называемой излучатель-ной рекомбинации. Пря-мозонность автоматически включает нанотрубки в число материалов опто-электроники. В 2003 г. исследователи из фирмы IBM продемонстрировали свечение по-лупроводни-ковой нанотрубки диаметром 1.4 нм при пропускании через нее тока в приборной структуре, подобной показанной на рисунке 2. Такое явление называется электролюминесценцией, а прибор можно смело назвать све-тоизлучающим транзистором (по аналогии с традиционными светоизлучающими диодами). Встречная инжекция электронов и дырок из стока и истока транзистора обеспечивала излучательную рекомбинацию носителей заряда. Диаметр и, соответственно, величина запрещен-

Рис. 2.

Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке (нанотрубка лежит на слое изолятора (кварц) в контакте с двумя сверхтонкими металлическими электродами, в качестве третьего электрода (затвора) используется подложка кремния).

Нанотрубка

Аи Si02 Аи

[J -/Tt^v о- J

ной зоны трубки определили диапазон излучения, перекрывающий ближнюю инфракрасную область спектра (включая технически важную длину волны 1.5 мкм). Очевидно, что изменяя диаметр трубки, можно варьировать длину волны излучения.

-^ Особенности переноса

заряда в нанотрубке качественно отличаются от присущих обычным, трехмерным проводникам и, по-видимому, объясняются одномерным характером переноса. Наиболее интересные из этих особенностей соответствуют баллистическому механизму переноса заряда, при котором электрон преодолевает участок трубки длиной примерно в 1 мкм вообще без рассеивания. На основе таких трубок можно создавать так называ-

емые квантовые провода, способные в устройствах нано-электроники подводить и выдерживать, не нагреваясь при этом, токи огромной плотности - на три-четыре порядка больше, чем обычные проводники.

Из-за малых размеров углеродных на-нотрубок измерение электропроводности индивидуальных трубок представляет собой довольно сложную техническую задачу, требующую применения атомно-силовых микроскопов и манипуляторов и прецизионной фотолитографии. Поэтому измерить удельное электрическое сопротивление индивидуальных трубок четырехконтактным способом удалось только в 1996 г.9

Чтобы читатель оценил сложность и красоту этого эксперимента, опишем его подробнее и проиллюстрируем рисун-§ ком 3. На полированную поверхность ок-S сида кремния в вакууме наносили золо-I тые полоски, в промежутке между кото-§ рыми напыляли нанотрубки длиной 2£ 3 мкм. Затем на одну из выбранных для i измерения нанотрубок наносили четыре £ вольфрамовых проводника толщиной | 80 нм. Каждый проводник имел контакт i с одной из золотых полосок. Расстояние § между контактами на нанотрубке со-I ставляло от 0.3 до 1 мкм. Измеренные ® значения удельного сопротивления име-

о

9 T.W. Ebessen, H.J. Lezez, H. Hiura et al. // Nature, 382, 54-56 (1996).

Рис. 3.

Приборная структура для измерения удельного

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком