Электрические свойства нанотрубок

Наиболее интересное свойство нанотрубок заключается в том, что они могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от их диаметра и хиральности. Термин хиральность относится к направлению сворачивания трубки относительно графитового листа.

Как уже было отмечено ранее, в результате синтеза обычно получается смесь трубок, 2/3 которых имеют полупроводниковые свойства и 1/3-металлические. Металлические трубки обычно имеют кресельную структуру.

Рис. 13.7. Зависимость значения запрещенной зоны

(энергетической щели) от обратного диаметра нанотрубки

В полупроводниковых трубках, например, имеет место четкая взаимосвязь между размером запрещенной зоны и обратным диаметром трубки. График зависимости, как правило, линейный, а угол его наклона определяется типом материала трубки (легированная или нет, чем легирована и т.д.).

При исследовании электронной структуры углеродных нанотрубок используется сканирующая туннельная микроскопия. В таких измерениях положение зонда фиксируется над нанотрубкой и регистрируется зависимость туннельного тока I от напряжения U между зондом и нанотрубкой. Найденная таким образом проводимость G = I/U напрямую связана с локальной плотностью электронных состояний – она является мерой того, насколько близко уровни энергии лежат друг к другу.

Рис. 13.8. Вольт-амперная характеристика металлической

и полупроводниковой нанотрубок

( – диффузионная проводимость)

Из графика на рис. 13.8 (правая часть) видно, что есть область малых приращений тока и это соответствует энергетической щели в спектре электронных состояний. Ширина участка напряжения области с минимальной диффузионной проводимостью и есть мера щели. В случае, приведенном на рис. 13.8, она составляет порядка 0,7 эВ. Острые пики при больших напряжениях называются сингулярностями Ван Хоффа и характерны для проводящих материалов низкой размерности.

Если длина волны электрона не укладывается в целое число раз на длине окружности трубки, она интерферирует сама с собой с дальнейшим затуханием, что сильно ограничивает число состояний, пригодных для проводимости. При этом доминирующим направлением для проводимости остается направление вдоль трубки.

Исследования транспорта электронов на отдельных однослойных нанотрубках дали следующие результаты: при Т = 0,001 К у металлической нанотрубки в вольт-амперной характеристике (ВАХ) появляются ступеньки – ״кулоновская лестница״. Интересно, что такая форма ВАХ характерна для полевого транзистора. Ступеньки ВАХ являются следствием одноэлектронного туннелирования через отдельные молекулярные орбитали, а изменение тока на каждой ступеньке связано с добавление одной молекулярной орбитали. Это означает, что электроны в нанотрубке не являются сильно локализованными, а ״размазаны״ на большом расстоянии вдоль трубки. Даже дефект, обычно приводящий к локализации электронов, не приводит к ней в этом случае, потому что влияние дефекта усредняется по всему периметру трубки. Такая ситуация происходит вследствие того, что волновая функция имеет вид ״пончика״, т.е. является тороидальной.

В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока. Теоретически они могут пропускать порядка миллиарда ампер на квадратный сантиметр. Для справки: медный провод выходит из строя уже при миллионе ампер на квадратный сантиметр вследствие расплавления провода из-за джоулева нагрева.

Причиной такой идеальной проводимости нанотрубок является очень малое количество дефектов, которые вызывают рассеяние электронов. Малое количество дефектов влечет за собой очень низкое сопротивление, поэтому большие токи не нагревают трубку, как это происходит в случае медного провода.