Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Глава 5. Углеродные наноструктуры. Применение углеродных нанотрубок1. Химические и биохимические сенсоры.Углеродные нанотрубки обладают важным свойством – способностью изменять свою проводимость при адсорбции чужеродного атома или молекулы. Величина изменения проводимости зависит от числа адсорбированных атомов. Ленгмюр, исследуя явление адсорбции, установил, что число адсорбированных атомов определяется давлением, которые они создают в окружающей среде. В соответствии с уравнением состояния давление p определяется концентрацией атомов n в пространстве. Поэтому изменение проводимости нанотрубки можно использовать для определения концентрации химических веществ в пространстве, окружающем нанотрубку. Это свойство можно усилить, применяя специальную обработку поверхности нанотрубки. В последнее время возникло направление, которое названо «ковалентной химией углеродных нанотубок». Это направление заключается в поиске и присоединении к УНТ радикалов, которые повышают чувствительность к измерению концентрации определенных веществ. Это направление опирается на то обстоятельство, что в образовании самой нанотрубки участвуют 3 электрона каждого атома углерода, а четвертый может установит химическую связь с присоединяемой молекулой. Этот процесс показан на рис. 5.12.  Рис. 5.12. Присоединение различных функциональных групп к УНТ Присоединенные функциональные группы (радикалы) образуют своеобразную «шубу» у нанотрубки, которая реагирует на присоединение определенного чужого атома или молекулы. Подбирая состав «шубы», можно измерять концентрацию достаточно сложных молекул, в том числе ДНК. 2. Вычислительные системыОснову современных вычислительных систем составляют логические элементы на полевых транзисторах и ячейки памяти. Полевой транзистор с изолированным затвором представляет прибор, проводимость канала которого управляется электрическим полем. Это поле создается при подаче электрического напряжения на электрод затвора. В настоящее время созданы такие транзисторы, у которых роль канала исполняют углеродные нанотрубки (рис. 5.13 а). Пока эти транзисторы уступают по своим параметрам транзисторам на основе кремния. Но ученые надеются их улучшить. На базе такой техники созданы первые интегральные схемы. На рис. 5.13 в приведено изображение такой схемы в электронном микроскопе на фоне человеческого волоса.
Исследования технологий хранения информации являются одним из наиболее активно развивающихся направлений в настоящее время. Это обусловлено потребностью хранения все больших объемов информации во всё меньших объемах пространства. Углеродные нанотрубки позволяют изготавливать как совместимые с традиционной кремниевой планарной технологией элементы памяти, так и новые оригинальные элементы. В качестве примера приведем создание элементов памяти на основе механических свойств многостенных углеродных нанотрубок (рис. 5.14). Для создания элемента памяти вскрываются концы многостенной трубки, а её внешняя оболочка закрепляется между двумя электродами (рис. 5.14 а). В зависимости от того, левый или правый электрод соединяется с плюсом электрического напряжения, внутренняя часть трубки скользит и притягивается к этому электроду. Таким образом, можно создать как обычную двухпозиционную память (0, 1), так и трехпозиционную (0, 1, 2).  Рис. 5.14. Схема работы «механической» памяти (http://www.ixbt.com) 3. Приборы на основе эмиссии электронов из углеродных нанотрубокЯвление выхода электронов из вещества в вакуум называется электронной эмиссией. Хорошо известно явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что при нагреве твердого тела до высоких температур, превышающих 10000С, электроны в нем приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода, и могут выйти в вакуум. На основе термоэлектронной эмиссии изготавливались катоды электронных ламп, которые в течение многих десятилетий определяли развитие электроники. Меньших энергетических затрат требует холодная эмиссия, при которой электрон выходит в вакуум за счет действия сильного электрического поля. Этот метод не был развит, так как требовал создания очень высоких электрических напряжений. Исследование электронных трубок позволило изменить ситуацию. Радиус одностенной углеродной нанотрубки составляет 0,7 нм. Это позволяет создавать близи конца такой трубки электрическое поле более 108 В/см. Энергии таких полей достаточно для выхода электрона в вакуум. Таким образом, эффективность полевой эмиссии электронов из нанотрубок обусловлена их малым диаметром и высокими электрическими полями на концах нанотрубок.  Рис. 5.15. Вакуумный источник света С технологической точки зрения УНТ хороши тем, что имеют стабильные параметры и высокие плотности тока эмиссии. В дисплеях реализованы плотности эмиссионного тока более 500 мА/см2. Рекордсменами эмиссионных свойств являются одностенные трубки. Это связано с тем, что диаметр их существенно меньше многостенных, а напряженность поля растет обратно пропорционально радиусу острия. Эмиссия используется для создания источников света (рис. 5.15), экранов дисплеев (рис. 4.16).  Рис. 5.16. Дисплей Рассмотренные нами примеры применения электронных нанотрубок далеко не исчерпывают их потенциала. Интенсивно исследуется создание на основе УНТ суперконденсаторов, литиевых батарей и других приборов. Ученые исследуют другие удивительные возможности применения УНТ. Например, матрицы из углеродных трубок способствуют заживлению травм головного мозга. Таким образом, углеродные структуры открывают широкое поле деятельность для людей с пытливым умом. | ||||||
