Московский государственный технический университет имени Николая Эрнестовича Баумана

Реферат на тему

“Нанотрубки. Их свойства. Использование в качестве элементной базы микроэлектроники”

студента факультета “фундаментальные науки” МГТУ им Н.Э. Баумана,

участника всероссийской олимпиады «Физика и перспективные нанотехнологии — 2012»

Ивлиева Павла.

Москва 2012.

Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена

В последнее время углеродные нанотрубки стали основным объектом исследования материаловедения. Фактически нанотрубки- это своеобразные цилиндрические молекулы диаметром от половины нанометра и длинной до нескольких микрометров. Нанотрубки можно рассматривать как частный случай наноматериалов, под которыми понимают объекты с размерами порядка 10^-9м. хотя бы вдоль одной координаты; так как их диаметр соответствует этому критерию.  Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 году, как побочного продукта фулеренов. Первые свидетельства существования нанотрубок относятся ещё к 1952 году,они были описаны в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича.

Далее ещё несколько групп исследователей сталкивались с этими увлекательными структурами, но не было представлено результатов по их описанию.

Углеродные нанотрубки были открыты при исследовании продуктов, образующихся при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия. Ииджима заинтересовался отходом реакции, вырастающим на катоде, в котором с помощью электронной микроскопии он обнаружил протяженные полые объекты диаметром несколько десятков ангстрем. Это и были первые наблюдавшиеся нанотрубки. Они проявляют целый ряд очень интересных и необычных электрических, магнитных, оптических, механических свойств. Например, проводимость нанотрубок координально отличается от обычных проводников, из-за независимости её ни от длины, ни от толщины проводящей нанотрубки. Плотность тока в ней на два порядка выше плотности тока в объемных сверхпроводниках. А сам механизм проводимости координально отличается от обычных проводников, в которых электронный газ является носителем тока. Механические свойства трубок так же необычны. Модуль Юнга однослойной нанотрубки на порядок выше, чем у стали. Коэффицент Пуассона перестаёт зависеть от линейных размеров углеродной нанотрубки (УНТ) при превышении радиуса 30 ангстрем. Под действием механических напряжений, превышающих критические УНТ не рвутся и не ломаются, а перестраивают свою структуру. Подробнее эти процессы рассмотрены в [1] .

Углеродные нанотрубки представляют собой микроскопические трубы, в которые входят лишь молекулы воды, а соли и другие соединения физически не проходят в них из-за размеров. Поэтому УНТ можно использовать для опреснения морской воды. Такое решение предложил Джейсон Риз (Jaison Reis) из Университета Стратклайда (Велибритания). Если тысячи таких трубок разместить на фильтре – он вполне сможет опреснять значительное количество соленой воды. Недавно экспертами ООН была создана “Карта голода”, на которой отмечены регионы, которые в будущем испытают нехватку воды и продовольствия. Существует вероятность, что благодаря технологии фильтрации с помощью углеродных нанотрубок можно будет изменить ситуацию в лучшую сторону.


На основе УНТ можно создать электронное устройство молекулярного размера. Уже созданы и испытаны тонкие дисплеи с матрицей на основе нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному концу трубки, с другого вылетают электроны, которые вызывают свечение фосфоресцирующего покрытия. Получающееся зерно изображение фантастически мало. Но это не единственная возможность применения в электронике мультимедийного направления. Структуры на основе углеродных нанотрубок могут быть использованы в сенсорных элементах. При этом важным остается тот факт, что свойства одиночных нанотрубок могут быть экстраполированы на свойства сеток УНТ, что позволяет разрабатывать воспроизводимые технологические приёмы для массового производства и их интеграции в традиционный процесс формирования сенсорных элементов.

Нанотрубки могут использоваться как контейнеры для хранения или транспортировки химических веществ. В том числе и для точечной доставки лекарств в организме человека, чтобы не взаимодействовать с остальными его частями. Но они не столь безопасны для организма. Результаты экспериментов, проведённых в последние годы, показали, что длинные многостенные углеродные нанотрубки (МНТ) могут вызвать отклик, аналогичный асбестовым волокнам. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей и рака лёгких в несколько раз больше, чем у основного населения. Канцерогенность волокон разных видов асбеста весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. Благодаря своему малому весу и размерам, углеродные нанотрубки проникают в дыхательные пути вместе с воздухом. В итоге они концентрируются в плевре. Мелкие частицы и короткие нанотрубки выходят через поры в грудной стенке (диаметр 3—8 мкм), а длинные нанотрубки могут задерживаться и со временем вызвать патологические изменения. Сравнительные эксперименты по добавке одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) в пищу мышей показали отсутствие заметной реакции последних в случае нанотрубок с длиной порядка микрон. Тогда как использование укороченных ОНТ с длиной 200—500 нм приводило к «впиванию» нанотрубок-игл в стенки желудка.



Идеальная нанотрубка- это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки графита. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки называют хиральностью. Взависимости от хиральности нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно принудительно менять путём введения внутрь атомов других веществ.

Уникальное сочетание высокой теплопроводности(нанотрубки проводят тепло лучше алмаза) с высочайшей электропроводностью делает УНТ самой перспективной элементной базой для новейшей электроники. Но самым поразительным при использовании УНТ в электронике является тот факт, что эта элементная база позволяет делать гибкие устройства. Так, например, ученые из университета Массачусетса создали матрицу высокоскоростных нанотранзисторов на пластиковой плёнке. Метод, предложенный ими, позволяет производить гибкую электронику массово. Нововведение заключено в том, что нанотрубки не были выращены непосредственно на плёнке, а были нанесены на её поверхность в виде раствора. Таким образом, ученые напечатали транзисторы раствором из высококачественных нанотрубок на тонкой пластиковой подложке. Так же уникальные проводящие свойства УНТ могут быть использованы для экранирования электромагнитного излучения наноэлектронных устройств.

На мой взгляд основным отличительным свойством является разделение спина и заряда -явление, наблюдаемое в квазиодномерных системах, в частности в углеродных нанотрубках. Суть этого явления в том, что из-за большого (по сравнению с их кинетической энергией) взаимодействия между электронами в подобных системах, удобными квазичастицами оказываются не электроны (имеющие спин 1/2 и подчиняющиеся статистике Ферми — Дирака), как в металлах, а своеобразные квазичастицы со спином 0 и 1 холоны и спиноны, подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна. Холон переносит только заряд и не переносит спин, в то время как спинон переносит только спин, и не переносит заряд.

Достаточно наглядно можно пояснить ситуацию в одном из предельных случаев. Допустим, взаимодействие между электронами настолько сильно, что они сконденсировались в вигнеровский кристалл. В таком случае, в вигнеровском кристалле, как и в любом другом кристалле, могут существовать фононы, коллективные колебания электронов в узлах решётки. Эти колебания будут сопровождаться переносом заряда. Это и есть холоны. С другой стороны, электроны в цепочке обладают спином, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. Если мы перевернём один из спинов, по цепочке побежит спиновое возмущение, совершенно не сопровождающееся переносом заряда. Это и есть спинон. Этот эффект может лечь в основу нового типа вычислительных устройств спин-электронных. Над созданием которых трудятся многие исследователи и разработки ведутся с различными материалами и структурами, но я уверен, что нанотрубки приведут к результатам быстрее, поэтому начал построения теоретических основ такого процесса с рассмотрения электронной плотности одностенной нанотрубки.

Обзорная статья имеет наибольшую ценность, если её автор имеет оригинальные результаты в рассматриваемой области. Далее я представляю их вниманию читателя.

Рассчитать электронную плотность внутри нанотрубки в приближении прямого кругового цилиндра с равномерным распределением электронов на его поверхности, с учетом их взаимодействия между собой.

К решению этой задачи есть по крайней мере два подхода. Первый: метод функционала плотности ( Кона-Шема). Второй: решение уравнения Шрёдингера.

Подробное описание метода Кона-Шема рассмотрено в [4].

Обозначим полную энергию взаимодействия электронов в УНТ как E_gs.

Вполне очевидно, что она будет зависеть от электронной плотности внутри УНТ.
А электронная плотность будет играть важнейшую роль в свойствах проводимости электрического тока и спина. Поэтому первостепенная проблема- это определение электронной плотности n.

E_gs[n]=T[n]+V[n]+W[n] – вид зависимости E_gs от n/

Здесь T[n] кинетическая энергия движения электронов,
V[n] энергия взаимодействия с полем трубки

W[n] энергия взаимодействия с остальными электронами









Последнее условие лимитирует число частиц (электронов) в системе.



E_gs[n] = min E[n]

Вариационным методом минимизируем функционал и следовательно находим распределение электронной плотности.

Рассмотрим подход через решение уравнения Шрёдингера


Все расчеты проводились в системе компьютерной алгебры “Maple”.

Ψ=A[ aJ_m(ξ_m,nρ) + bY_m(ξ_m,nρ)]

Константы A , a и b определяются из условия нормировки

J_m и Y_m – бесселевы функции m-ого порядка.

ξ_m,nρ определяется из условия непрерывности функции

- квантовое число

L- собственная длина УНТ

Далее очевидным шагом является установление непосредственного вида n

ψ выражается через Бесселевы функции, из этого следует, что чем меньше диаметр трубки, тем меньше значение параметра ρ, а следовательно тем больше становится |ψ| и тем больше оказывается значение электронной плотности. Чем выше электронная плотность, тем ярче проявляется эффект разделения спина и заряда, что позволяет нанотрубкам стать основой для элементной базы новейшей спин-электроники. Таким образом, вызвав спиновое возмущение магнитным полем на одном конце УНТ, оно дойдёт с очень малой дисперсией до другого.
Выражаю благодарность доценту кафедры физики Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана О.С. Еркович за постановку задачи и полезные обсуждения.

Список литературы

1. 
   Стариков С. В. Объединенный Институт Высоких Температур РАН, г.Москва. “Физико-Химическая кинетика в газовой динамике.” Том 9, 2010 год.
   https://www.chemphys.edu.ru/media/files/010-01-12-030.pdf
   
2. 
   А.С. Федоров, П.Б. Сорокин. “Оптимизация расчётов электронной структуры углеродных нанотрубок”, Физика твёрдого тела, 2005, том 47, вып 11.
   
3. 
   И.И. Бобринецкий. “Сенсорные свойства структур на основе однослойных углеродных нанотрубок”. Российские нанотехнологии ,Том 2, № 5-6, 2007 год
   

https://144.206.159.178/ft/10601/434465/9483044.pdf

4. 
   В. Кон. “Электронная структура вещества- волновые функции и функционалы плотности”. Успехи физических наук, Том 172, № 3, март 2002г.
   
5. 
   П.Н. Дьячков. “Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения” Бином 2006.- 293 с. (Серия: Нанотехнология).
   
6. 
   З. Флюгге. “Задачи по квантовой механике”(2 тома). М. 1974г.