3.12. Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки являются одной из интригующих естественно самособранных наноструктур. Они существуют в двух основных формах – одностенные и многостенные нанотрубки. Одностенная углеродная нанотрубка может быть представлена как лист из графита моноатомной толщины, свернутый в трубку. Такой листовой графит называют графен (рис. 3.36).

Рис. 3.36. Атомная структура графена

Электронные свойства углеродных нанотрубок зависят от направления, в котором свернут графеновый лист (рис. 3.37, г). Графен представляет собой двухмерную сотовую сеть, образованную атомами углерода, связанными между собой sp2-электронными состояниями (рис. 3.37, а). Проводящие электронные состояния в ее элементарной ячейке имеют определенную пространственную ориентацию и представляются семейством конусов плотности электронов в пространстве (рис. 3.37, б). Графен проводит электрический ток только в тех направлениях, в которых расположены конусы электронной плотности, что приводит к анизотропии его электронных свойств. Его проводимость в направлении, параллельном связям между атомами углерода (см. рис. 3.37, а, направление х), существенно отличается от проводимости в направлении, перпендикулярном межуглеродным связям (см. рис. 3.37, а, направление у).

Энергетическая зонная диаграмма графена (рис. 3.37, в) определяется рассеянием электронов атомами углерода. Электроны, движущиеся вдоль С-С-связей, испытывают существенное рассеяние на атомах углерода, периодически встречающихся на их пути. В результате только электроны с определенной энергией могут проходить в этом направлении, что создает энергетический зазор, аналогичный тому, который имеется у полупроводников.

Рис. 3.37. Углеродные нанотрубки

Электроны, перемещающиеся в направлении, перпендикулярном С-С-связям, рассеиваются различными атомами. Соответствующие им электронные волны интерферируют деструктивно, подавляя их обратное рассеяние, что в комплексе аналогично поведению электронов в металлах. Так, одностенные углеродные нанотрубки, свернутые вокруг оси, параллельной С-С-связям, имеют полупроводниковые свойства, а свернутые вдоль оси, перпендикулярной этим связям – металлические свойства.

Средний диаметр одностенных нанотрубок 1,2…1,4 нм. Ширина запрещенной зоны в полупроводниковых трубках составляет от 0,4 до 0,7 эВ в зависимости от незначительных вариаций в диаметре и углах связей. Квантовое ограничение существует в радиальном направлении, поскольку стенка трубки имеет моноатомную толщину. Одностенные нанотрубки ведут себя как одномерные структуры. Движение электронов вдоль трубки на значительном расстоянии происходит без рассеяния.

Многостенные нанотрубки состоят из нескольких одностенных трубок, концентрически вставленных одна в другую. Их типичный диаметр составляет 10…40 нм. Они уже не являются хорошими одномерными проводниками. Из-за взаимодействия между отдельными вложенными друг в друга трубками электрический ток протекает преимущественно в стенке внешней трубки. Длина когерентности в многостенных трубках составляет порядка 250 нм при 4,2К, а длина свободного пробега электронов при упругом рассеянии около 60 нм.

Нанотрубки имеют обширный ряд привлекательных свойств. Они могут вести себя как полупроводники и проводники, проводят электрический ток лучше меди, имеют теплопроводность лучше, чем у алмаза, по механической прочности составляют конкуренцию многим известным твердым материалам.

Углеродные нанотрубки создают испарением углеродных электродов в дуговом разряде, лазерным испарением, химическим осаждением из газовой фазы. С использованием первых двух методов получают пучки переплетенных трубок на электроде или на подложке, что затрудняет манипулирование ими. Для последующего исследования и использования их отделяют от подложки и друг от друга ультразвуковой обработкой в дихлорэтане. Образовавшуюся суспензию наносят и высушивают на кремниевой или покрытой SiO2 подложке.

Отбор и позиционирование нанотрубок на подложке осуществляют в атомном силовом микроскопе.

В отличие от испарения углерода, химическое осаждение из газовой