Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки представляются одним из наиболее перспективных и ценных материалов для развития нанотехнологии. Перечислим только некоторые из направлений, которые уже в ближайшее время могут привести к промышленнму внедрению: модификация электроники (диоды, полевые транзисторы, экраны дисплеев сверхвысокого разрешения, увеличение степени интеграции в больших интегральных схемах), водородная энергетика, сверхчувствительные быстродействующие миниатюрные сенсоры, генераторы микроволн, эмиссионные и магнитные материалы, катализаторы, использование зондовых микроскопов для сборки наноструктур из отдельных атомов и молекул с помощью зондов из нанотрубок.

Оказалось, что однослойные углеродные листы могут скручиваться в виде трубок в один или несколько слоев. Такие образования называют однослойными и, соответственно, многослойными трубками.

Открыты и описаны такие трубки в 1991 году японским исследователем Иижима. Диаметр таких трубок лежит от 0,5 нм до нескольких нанометров. Длина трубок может достигать десятков микрон. Из-за таких размеров углеродных трубок они и получили название нанотрубок.

Одним из поразительных свойств нанотрубок является то, что их свойства зависят от их геометрии. Например трубки могут быть с открытыми концами, что позволяет заполнять их другими атомами, или с закрытыми концами. Это позволяет капсулировать объем нанотрубки.

По своей структуре углеродные нанотрубки являются третьей аллотропной формой углерода. Существует ограниченное число схем, с помощью которых можно из графитового листа выстроить нанотрубку. Рассмотрим точки А и А’. Вектор, соединяющий А и А’ определяется как:

С_h = na₁ + ma₂,

где n,m - 1,2,3…. – действительные числа, а1, а2 – единичные векторы в графитовой плоскости. Трубка образуется при сворачивании графитового слоя и соединении точек А и А’. Тогда трубка определяется единственным образом вектором С_h. Диаметр трубки выражается соотношением:

,

Где а – постоянная решетки. Угол

Определяет количественно хиральность нанотрубки. Если m = 0, то угол хиральности Q = 0, что соответствует вектору Сh = na1. В такой трубке связи С – С идут параллельно оси трубки.

Таким образом, все многообразие свойств нанотрубок определяется исключительно геометрией, которая единственным образом задается углом хиральности Q и диаметром d.

По значению параметров (n, m) различают:

- прямые (ахиральные) нанотрубки;

- «кресло» или «зубчатые»;

- n=m зигзагообразные m=0 или n=0;

- спиральные (хиральные) нанотрубки.

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Зависимости электрических свойств нанотрубок были определены на основе квантово-механических расчетов их зонной структуры.

Было отмечено, что три из четырех валентных электронов каждого атома углерода образуют локализованные σ-связи, а четвертый участвует в образовании делокализованной π-системы. Эти π-электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому именно они могут участвовать в переносе заряда в системе. Энергетические диаграммы нанотрубок имеют следующий вид.

Высокая металлическая проводимость наблюдается, если занятые π-состояния перекрываются с вакантными π*-состояниями (рис а). Расчеты показывают, что подобной структурой обладают трубки для которых разность n – m кратна трем.

Остальные нанотрубки являются полупроводниковыми с шириной запрещенной зоны от нескольких десятых до примерно 2 эВ. Ширина запрещенной зоны возрастает с уменьшением диаметра нанотрубки.

Дата добавления: 2015-05-06