Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 18 из 24

Глава 5. Углеродные наноструктуры. Электрические свойства углеродных нанотрубок

Проводимость макроскопических твердых тел g есть величина, обратная удельному сопротивлению. Проводимость определяется как произведение концентрации свободных носителей n, подвижности носителей заряда и заряда электрона e.

(5.1)

Подвижность – это дрейфовая скорость, которую носитель заряда развивает при напряженности электрического поля 1 В/м.

Подвижность зависит от взаимодействия носителей заряда с разнообразными дефектами: примесями, колебаниями решетки, границами и поверхностями раздела и т. д. Взаимодействие с дефектами не носит характер соударения, так как электрон не сталкивается с дефектом. В то же время при взаимодействии скорость электрона меняется по направлению и величине. Поэтому говорят, что при взаимодействии с дефектом электрон рассеивается. При этом он теряет энергию, которая выделяется в виде тепла.

Физическое явление, приводящее к разогреву проводника при протекании в нем тока, называют эффектом Джоуля-Ленца. В отличие от массивных тел, проводимость углеродных нанотрубок, как и других квантовых нитей, имеет выраженный квантовый характер. Длина УНТ составляет несколько микрон, что меньше длины свободного пробега электронов. После пересечения границы, отделяющей трубку от внешней среды, электрон движется свободно, как выпущенная из ружья пуля. Такое движение принято называть баллистическим. При этом пока электрон движется внутри трубки, он не взаимодействует с её поверхностью. Рассеяние имеет место только в области контактов.

Для того чтобы уяснить механизм баллистического протекания тока, рассмотрим следующую модель. Пусть имеется 2 контакта металла с УНТ (рис. 5.10 а). Через левый электрон входит в трубку, а через правый – выходит. Металлические контакты, через которые входит и выходит электрон, представим в виде потенциальных ям. На каждом энергетическом уровне такой ямы в соответствии с принципом Паули располагается по 2 электрона с противоположно направленными спинами. Энергетические уровни в металле заполнены до определенной энергии, называемой уровнем Ферми, или химическим потенциалом. В состоянии равновесия эти уровни расположены при одной энергии. Электрическое напряжение между контактами равно нулю. Ток отсутствует. Приложенное к контактам напряжение (V_sd) понижает уровень Ферми второго контакта (рис. 5.10 б).

Оказывается, что в промежутке энергий уровни первого контакта заняты электронами, а второго – свободны. Движение внутри углеродной нанотрубки возможно только в пределах разрешенных значений энергии. Попадая в трубку, электрон принимает одно из этих значений (Е) в указанном интервале . Электрон с энергией Е из указанного промежутка, свободно пролетая сквозь трубку, не меняет своей энергии и попадает на пустые состояния контакта 2. Если бы эти состояния были заполнены, то ток протекать не смог бы.



Рис. 5.10. Измерение проводимости УНТ: а) схема эксперимента; б) потенциальная диаграмма контактов

Поэтому очевидно, что величина проводимости пропорциональна числу свободных уровней трубки. Поэтому проводимость пропорциональна числу уровней нанотрубки N, попавших в промежуток энергий , расположенный между уровнями Ферми первого и второго контакта. Более точный расчет показывает, что при баллистическом переносе проводимость имеет вид:



(5.2)

Каждый раз, когда при приложении смещения число свободных уровней увеличивается на единицу, проводимость возрастает скачком. С ростом приложенного напряжения происходит увеличение проводимости, поскольку становится доступным большее число каналов для проводимости, но она остается квантованной. Правда, экспериментально это наблюдается при очень низких температурах. Повышение температуры усиливает колебания решетки. Размывается дискретный характер зависимости проводимости от напряжения. Это связано с тем, что термически возбуждается много каналов, ответственных за проводимость трубки (рис. 5.11).]



Рис. 5.11. Изменение проводимости углеродной нанотрубки в зависимости от приложенного напряжения

Адсорбция чужеродных атомов и молекул изменяет электронную структуру УНТ. Поэтому она изменяет проводимость, что используется для создания химических сенсоров, о которых говорилось выше.