Углеродные нанотрубки
Углеродная нанотрубка – это аллотропная модификация углерода, которая представляет собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров.
Любая одностенная нанотрубка может быть представлена в виде выкройки из листа графена, заданной парой чисел, которые называются индексами хиральности. Данные индексы являются координатами радиус вектора в заданной графеновой плоскости в косоугольной системе координат, определяющего оси трубки относительно плоскости, а также ее диаметр. Для того, чтобы рассчитать диаметр нанотрубки используется следующая формула:
$D = (√ 3*d0)/п) * √ n^2+m^2+n*m$
где п=3,14; d0 - расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости (табличное значение); n, m - индексы хиральности.
Существует и другой способ обозначения хиральности. Он заключается в указании угла между напряжением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором у соседних шестиугольников имеется общая сторона. В данном случае выбирается значение угла от 0 до 30 градусов, включительно. Связь угла и индексов хиральности выражается следующим образом:
$sina = (m*√ 3) / (2*√ n^2+m^2+n*m)$
Углеродные нанотрубки классифицируются по следующим признакам:
- тип торцов - согласно данному признаку углеродные нанотрубки бывают открытые и закрытые, которые заканчиваются полусферой;
- количество слоев - согласно данному признаку углеродные нанотрубки бывают одностенные и многостенные;
- электронные свойства - согласно данному признаку углеродные нанотрубки бывают полупроводниковые и металлические.
Одностенные углеродные нанотрубки используются в углепластиковыx материалах в автомобильной промышленности, литий-ионных аккумуляторах. В кислотно-свинцовых аккумуляторах добавление нанотрубок способствует значительному увеличению роста количества циклов передачи. Коэффициент прочности одностенной углеродной нанотрубки может достигать 50 гигапаскаль, в то время, как у стали данный показатель не превышает 1 гигапаскаль. От одностенных многостенные трубки отличаются широким разнообразием конфигураций и форм. Разнообразие структур проявляется и в продольном, и в поперечном направлениях.
Электропроводность одностенных углеродных нанотрубок
Электропроводность – это способность среды или тела проводить электрический ток.
Электропроводность одностенных углеродных нанотрубок является самым важным показателем. От данного показателя зависят перспективы использования нанотрубок для миниатюризации электронных изделий. На электропроводность одностенных углеродных нанотрубок значительное влияния оказывают следующие факторы:
- тип нанотрубки,
- наличие адсорбированных молекул и атомов на боковой поверхности трубки,
- плотность точечных дефектов графеновых листов, которые образуют нанотрубку,
- присутствие эндоэдральных частиц в канале,
- хиральность.
Важнейшим среди перечисленных факторов, влияющих на электропроводность одностенных углеродных трубок является хиральность, задающая электронную структуру нанотрубки. В зависимости от того, каким образом свернут лист, характер проводимости трубки может меняться от полупроводникового до металлического. В углеродной нанотрубке три из четырех валентных электронов образуют гибридизованные орбитали, а один принимает участие в образовании ансамбля слабо локализованных z-электронов, которые участвуют в процессе переноса заряда через трубку.
Когда энергетические уровни, которые заняты z-электронами, никак не отделены от вакантных уровней зоной запрещенных энергий, z-электроны свободно ускоряются внешним электрическим полем, то есть участвуют в переносе электрического тока - углеродная нанотрубка проявляет свойства проводника. В случае присутствия запрещенной зоны нанотрубкой проявляются свойства полупроводника. Проведенные эксперименты и анализ результатов показали, что металлическим типом проводимости обладают нанотрубки, для которых выполняется следующее условие:
$(n-m) / 3 = k$
где к - целое число.
В противном случае нанотрубка является полупроводником, где ширина запрещенной зоны уменьшается с ростом диаметра нанотрубки.
Процесс измерения электропроводности отдельных одностенных нанотрубок сложен технически по нескольким причинам:
- во-первых, позиционирование нанотрубок относительно контактных электродов затруднено благодаря малому размеру;
- во-вторых, очень маленькое удельное сопротивление нанотрубок значительно ниже, чем сопротивления контактных элементов.
В некоторой степени данные проблемы решаются благодаря использованию, например, атомно-силового микроскопа.
