Электрические свойства углеродных нанотрубок Кибальчич В. А.
Безусловно, к нанотрубкам не уделяли бы повышенного внимания, если бы они не обладали выдающимися свойствами. Прежде всего, следует отметить их необычные электронные свойства. Тип проводимости нанотрубки зависит от их хиральности, т. е. от группы симметрии, к который принадлежит конкретная нанотрубка, причём выполняется простое правило: если индексы нанотрубки равны между собой или их разность делится на 3, она является полуметаллом, в любом другом случае нанотрубки проявляют полупроводниковые свойства. Причина этого явления следующая. Известно, что графит проявляет свойства полуметалла из-за того, что в первой зоне Бриллюэна существуют лишь точки пересечения между валентной зоной и зоной проводимости. Графитовую плоскость можно представить в виде бесконечно протяжённой, а нанотрубку как квазиодномерный объект. Зависимость проводимости нанотрубки от их симметрии может быть использовано в электронике. Например, систему, состоящую из полупроводниковой и металлической нанотрубки, можно использовать в качестве нанодиода.
Сверхпроводимость нанотрубок Физики из Японии доказали, что многостенные углеродные трубки с «полностью соединёнными концами» могут быть сверхпроводящими даже при температурах не ниже 12 К, что в 30 раз превышает температуру, необходимую для одностенных углеродных трубок. Открытие было сделано группой учёных под руководством г-на Юньджи Харуяма (Junji Haruyama) из университета Aoyama Gakuin University в г. Канагава (Kanagawa). Сверхпроводящие нанотрубки можно было бы использовать для изучения фундаментальных одномерных квантовых эффектов, а также они могли бы найти практическое применение в молекулярных квантовых вычислениях. Сверхпроводимость – это полное отсутствие электрического сопротивления, которое наблюдается в определённых материалах при их охлаждении до температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Tc). Физики утверждают, что сверхпроводимость вызвана тем, что электроны преодолевают взаимное кулоновское отталкивание и образуют «пары Купера» . Согласно теории низкотемпературной сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (Bardeen-Cooper-Schrieffer - BCS), электроны удерживаются вместе благодаря взаимодействию с фононами – колебаниями кристаллической решётки в материале. •
Возможно, основным применением УНТ в электронике является создание полевых транзисторов с нижним затвором на основе отдельных однослойных углеродных нанотрубках (SWNTFET). Высокая подвижность носителей зарядов в УНТ делает их потенциальными кандидатами для использования в высокочастотных транзисторах.
Создан первый транзистор, состоящий целиком из углеродных нанотрубок. Тем самым открывается перспектива замены привычных кремниевых чипов более быстрыми, дешевыми и меньшими по размеру компонентами. Первый в мире нанотрубочный транзистор представляет собой нанотрубку Yобразной формы, которая ведет себя подобно привычному транзистору — потенциал, приложенный к одной из «ножек» , позволяет управлять прохождением тока между двумя другими. При этом вольт-амперная характеристика «нанотрубочного транзистора» практически идеальна: ток или течет, или нет.
Помимо уже упомянутого выше очень пока далекого от осуществления создания металлических нанопроводов, популярна разработка так называемых холодных эмиттеров на нанотрубках. Холодные эмиттеры - ключевой элемент плоского телевизора будущего, они заменяют горячие эмиттеры современных электронно-лучевых трубок, к тому же позволяют избавиться от гигантских и небезопасных разгонных напряжений 20 -30 к. В. При комнатной температуре нанотрубки способны испускать электроны, производя ток такой же плотности, как и стандартный вольфрамовый анод при почти тысяче градусов, да еще и при напряжении всего 500 В. (А для получения рентгеновских лучей нужны десятки киловольт и температура 1500 градусов (nan))
• Инженеры и физики из Массачусетского технологического института нашли способ производства значительного объема электричества при помощи углеродных нанотрубок. После разработки промышленных решений для производства электрического тока с помощью нанотрубок, можно будет отказаться от устаревших методов генерации электричества при помощи турбин и тому подобных методов. • По словам исследователей, в будущем углеродные нанотрубки, собранные из индивидуальных атомов, могут питать электричеством буквально все - от сотовых телефонов до автомобилей. По прогнозам ученых первые подобные системы генерации тока должны появиться примерно лет через пять. • В разработке физиков из Массачусетса углеродные нанотрубки были чрезвычайно тонкими - почти в 30 000 раз тоньше человеческого волоса. "Когда углерод организуется в нанотрубки, то он начинает проявлять необычные для себя свойства, такие как высокая теплопроводность, которая и стала основой в данной разработке", - говорит Майкл Стрено, инженер-химик из Массачусетского технологического института.
• В новой системе массив из углеродных нанотрубок погружался в топливо, например в бензин или этанол, затем с одного края установки начинался нагрев. Топливо реагировало на растущую температуру и производило еще больше тепла, причем трубки в данном случае выступали как катализатор тепла. • "Процесс распространения тепла был похож на падение костяшек домино, выстроенных в ряд. Одновременно с тепловыми волнами в нанотрубках начиналось упорядоченное движение электронов, говоря другими словами, возникало электричество", - говорит Стрено. • Устройство, созданное в Массачусетсе, смогло произвести в 10 раз больше электричества, чем обычная литий-ионная батарея той же массы. "Удивляет здесь то, что нам не пришлось изобретать ничего нового. Мы смогли сделать новый источник питания из доступных и довольно дешевых компонентов", - говорит Стрено. • Исследователи прогнозируют, что в дальнейшем на основе созданной технологии можно будет создавать довольно компактные, но емкие элементы питания.
Конец
Скачать презентацию Электрические свойства углеродных нанотрубок Кибальчич В А
Электрические свойства углеродных нанотрубок.pptx