Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям

30 
Углеродные нанотрубки очень прочные. Закон Гука: механическое 
напряжение 

пропорционально относительной деформации 
L
L



. 
E



где 
Е
– модуль Юнга характеризует жесткость или упругость материала. 
Модуль Юнга углеродных нанотрубок равен 1280 до 1800 ГПа, для стали 
210
E
ГПа

. Углеродная трубка почти в 10 раз более жесткая, чем сталь. 
Углеродная нано трубка очень упруга на изгибе и не ломается из-за отсутствия 
дефектов (дислокаций и границы зерен). Углеродные стенки трубки состоят из 
правильных шестиугольников, которые при и изгибе деформируются, но не 
рвутся. 
Предел прочности на разрыв однослойной углеродной нанотрубки 
составляет 45 ГПа, стальные сплавы разрушаются при 2 ГПа. Таким образом, 
углеродные нанотрубки примерно в 20 раз прочнее стали. Многослойная 
нанотрубка диаметром 200 нм имеет предел прочности 7 ГПа и модуль Юнга 
600 ГПа. (1 ГПа = 10
4
атм). 
Применение углеродных нанотрубок
Полевая электронная эмиссия УНТ
возникает при приложении небольшого
 
электрического
 
поля вдоль оси нанотрубки. Эффект наблюдается при подаче 
напряжения между двумя параллельными металлическими электродами, на 
один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок.
Высокая электрическая проводимость углеродных трубок означает, что 
они отражают электромагнитные волны как металлы, и могут применяться для 
экранирования электромагнитного излучения.
Наноустройства на основе УНТ 
Диоды 
Если углеродный шестиугольник заменить на пятиугольник или 
семиугольник, то нанотрубка изогнется При этом изменяется ориентация 
шестичленных колец по отношению к оси нанотрубки, меняется положение 
уровня Ферми, ширина запрещенной зоны и проводящие свойства. на рис 
приведены схемы искривления нанотрубки на при замене и изменения 
потенциального барьера для электронов проводимости. Слева от изгиба 
нанотрубка будет металлической справа - полупроводниковой. Возникает 
гетеропереход металл-полупроводник. Электроны на уровне Ферми обладают 
разной энергией относительно изгиба. Электроны будут переходить из области 
нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей энергией Ферми. 
Электрический ток потечет в одном направлении. Односторонняя 
проводимость используется для создания выпрямляющего диода. См. рис.1.18. 

31 
Рис. 1.18. Вверху: Изменение потенциального барьера для электронной проводимости при 
искривлении УНТ. Внизу: Выпрямляющий диод на основе изогнутой нанотрубки.[2]. 
Нанотрубка находится в контакте с двумя проводниками из золота, 
нанесенными на квантовую подложку. В зависимости от полярности 
напряжения электрический ток или отсутствует или линейно нарастает при 
увеличении напряжения выше запорного. 
Полевой транзистор
В транзисторе на полупроводниковой УНТ нанотрубка помещается на два 
тонких платиновых электрода (левый - исток, правый - сток), на которые 
подается основное напряжение для прохождения тока. В качестве третьего 
управляющего электрода (затвора) используется слой кремния. Электроды и 
затвор разделяет изолирующий слой оксида кремния. В полупроводниковой 
нанотрубке состояния валентной зоны отделены от зоны проводимости 
энергетической щелью, поэтому в отсутствие внешнего поля концентрация 
носителей в зоне проводимости мала и нанотрубка обладает высоким 
сопротивлением. При подаче на третий электрод электрического поля U в 
области нанотрубки возникает электрическое поле, что изменяет 
энергетическое распределение в зонах. И края зон смещаются относительно 
поверхности ферми. При этом концентрация дырок в валентной зоне и 
электропроводность возрастают. Для потенциала затвора около – 6
 
В 
концентрация дырок достигает максимума, сопротивление минимума и 
нанотрубка становится металлической. См. рис. 1.19. 

32 
 
Рис. 1.19. а) Схема полевого транзистора на полупроводниковой нанотрубке.[2] 
б) Зависимость тока цепи от потенциала затвора. 
При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используют 
эффекты туннельного переноса электронов через нанотрубку по отдельным 
молекулярным орбиталям. 
Холодные катоды на основе УНТ
Полевая эмиссия служит основой для создания электронного цветного 
нанодисплея. Однослойные УНТ диаметром 1,4 нм и длиной от 0,5 нм до 2 нм 
смешивались с ультрадисперсным металлическим порошком и связующим 
материалом. Полученная смесь наносилась на подложку катода, и после 
термообработки связующий материал удалялся. Затем поверхность катода 
обрабатывалась абразивным материалом для удаления металлических частиц, 
так, что вершины нанотрубок оказывались над поверхность катода. 
Поверхность анода включала частицы люминофора 
2
3
:
,
:
,
:
,
Y O
Eu ZnS Cu ZnS Ag Cl
толщиной 6-10 мкм, для воспроизведения красного, зеленого и голубого цвета 
соответственно. Панель монитора откачивалась до вакуума 10
-7
Торр и 
запаивалась. При подаче небольшого электрического на катод из концов 
нанотрубок катода происходила интенсивная эмиссия электронов, которые 
летели сквозь алюминиевую фольгу в виде плоского анода на слой 
люминофора, и возбуждали атомы люминофора, вызывая свечение. При 
перемене знака напряжения эмиссия не происходит, дисплей имеет диодную 
структуру. См. рис. 1.20. 

33 
 
Рис. 1.20. Схема дисплея с использованием нанотрубок и люминофора.[2]. 
Углеродные нанотрубки также используются для производства 
катодолюминесцентных ламп с холодным катодом, (см. рис. 1.21.) топливных 
элементов, химических газовых сенсоров и др. 
Рис.1.21. Схема цилиндрической катодолюминесцентной лампы с катодом на УНТ[2]. 

жүктеу/скачать 12,63 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: