Материаловедение Нанотехнологии

Наноактуаторы

Наноматериалы, обладающие интеллектуальными свойствами, служат основой для создания актуаторных наносистем различного функционального назначения, среди которых набольшее распространение получили электронные и механические наносистемы.

Действие электронных наносистем, объединяющих разнообразные электронные нанокомпоненты, основано на преобразовании электрических сигналов. Электронные наносистемы выполняют, как правило, информационно-управляющие функции, т.е. осуществляют обработку, хранение и передачу информации в виде электрических сигналов, а также оказывают управляющие воздействия на управляемые процессы. В свою очередь, действие механических наносистем, объединяющих разнообразные механические нанокомпоненты, основано на преобразовании механического движения.

Совокупность электронных и механических наносистем образует соответствующие отрасли наносистемной техники – наноэлектронику и наномеханику. В результате объединения электронных и механических наносистем создаются наноэлектромеханические системы (НЭМС), характеризующиеся более сложной конструкцией и более широкими функциональными возможностями. Обычно на практике наносистемы встраиваются в различные микросистемы, формируя тем самым перспективное направление современной системной техники – микронаносистемную технику.

Одним из наиболее перспективных направлений наноэлектроники является молекулярная электроника, охватывающая область исследований принципов управления внутримолекулярными электронными процессами с целью создания качественно новой элементной базы информатики. Объектами исследований молекулярной электроники являются электронные наносистемы, содержащие в качестве составных частей одиночные молекулы или молекулярные комплексы, а также технологии изготовления таких наносистем, основанные на использовании процессов самосборки, включая процессы манипулирования как одиночными молекулами, так и молекулярными комплексами.

К фундаментальным проблемам молекулярной электроники относятся:

  • существенное (в миллионы раз) повышение быстродействия и объема памяти информационных систем путем создания наносистем, работа которых основана на реализации естественных биологических процессов, протекающих на молекулярном уровне;
  • прямое взаимодействие органов человека с наносистемами, в частности, путем вживления наноустройств в органы с целью обеспечения диагностики их состояния и стимулирования их функционирования (особенно в случае больных или ослабленных органов), частичной компенсации утраченных ими функций (зрения, слуха и т.п.);
  • прямое взаимодействие нейронной сети человека с системами
  • «искусственного интеллекта», в частности, с программно-аппаратными средствами, позволяющими имитировать элементы мыслительного процесса.

Ожидается, что развитие молекулярной электроники даст наиболее эффективные результаты в тех областях, которые связанны с использованием специфических функциональных свойств молекулярных систем. Особенно большие перспективы имеет биомолекулярная электроника – раздел молекулярной электроники, охватывающий проблемы создания наноустройств, содержащих одиночные биомолекулы, в частности, ДНК и белки, или биомолекулярные комплексы. Биомолекулярная электроника тесно связана с биомиметикой, занимающейся проблемами имитации биологических процессов. В качестве примера, можно привести следующие данные о биомиметических объектах, представляющие интерес для биомолекулярной электроники:

  • 1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиотека Конгресса США;
  • мозг человека содержит около 1014 внутренних связей и может осуществлять до 1016 операций в секунду, причем его работа отличается высокой точностью и очень низким энергопотреблением. Человеческий организм обладает высокоэффективной иммунной системой, которую можно назвать «системой саморемонта».

Особым по своей важности направлением наноэлектроники является углеродная наноэлектроника, элементную базу которой составляют углеродные нанотрубки.

Широкие перспективы в развитии наноэлектроники открывает использование спиновых эффектов, которые проявляются в особенностях транспорта носителей заряда в наноструктурах, контролируемого спином электронов. К ним относятся эффекты гигантского и туннельного магнитосопротивления. Соответствующее направление наноэлектроники, базирующееся на использовании этих эффектов, называется спинтроникой.

Механические наносистемы обычно осуществляют исполнительные механические операции. Среди изделий наномеханики довольно сложно выделить типовые элементы, поскольку, как правило, они входят в качестве составных частей в более сложные устройства различного функционального назначения. К типичным «чисто» механическим нанокомпонентам относятся балки, спицы, мембраны, струны, трубки, кольца, диафрагмы, сопла, шарниры, шестерни и т.п. Вместе с тем возможно создание механических наноустройств, в которых часть механических функций выполняют живые организмы (бактерии). С другой стороны, известны работы по созданию механических нанокомпонентов, встраиваемых в биологические объекты.

К наиболее важным областям применения наномеханики относится медицина. Особенно перспективным является создание нанороботов, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента. Особый интерес в практическом отношении представляют нанокатетеры, позволяющие эффективно осуществлять диагностику и терапию в кровеносных сосудах и кишечном тракте, а также дозирующие и распределительные наноустройства, обеспечивающие доставку лекарств, требуемых пациентам. Кроме того, малые размеры микрокомпонентов делают их идеальными для манипулирования биологическими образцами на микроскопическом уровне. В частности, разрабатываются аналитические наноустройства на стеклянных или кремниевых чипах, получившие название «лаборатория-на-чипе», проводящие экспресс-анализ ДНК и других биомолекул.

Другой не менее важной областью применения механических наноустройств является экология, где эти устройства могут обеспечивать дистанционный мониторинг окружающей среды, включая отбор проб, анализ, обработку результатов и контроль на местности. Типичными примерами их применения в этой области являются контроль загрязнения воздуха и воды, контроль выделения выхлопных газов, распределения нитратов в растениях и другие.

Изделия наномеханики также находят применение в промышленности, прежде всего, в автомобилестроении, где они могут эффективно контролировать рабочие параметры камер сгорания двигателей.

В качестве элементной базы молекулярной электроники находят широкое применение молекулы ряда органических соединений. Они могут эффективно выступать в роли проводников электрического тока, обеспечивая контакты между электронными нанокомпонентами.

Большое практическое значение имеет создание на основе органических молекул электронных приборов, в частности, молекулярных переключателей, которые могут найти широкое применение, прежде всего, в качестве элементов логических схем в компьютерах с двоичной системой. Действие этих переключателей основано на способности молекул находиться в двух различных состояниях и переводиться внешними воздействиями (свет, напряжение и т.п.) из одного состояния в другое, например, из состояния 0 в состояние 1, или, наоборот, из состояния 1 в состояние 0. Важным требованием, предъявляемым к этим молекулам, является быстрота и обратимость их переключения между двумя состояниями внешними воздействиями. Существуют различные виды молекулярных переключателей, действующих по такому принципу. Как правило, их основу составляют молекулы сложных органических соединений.

Схема переключения молекулы между двумя энантиомерными состояниями

Рис. . Схема переключения молекулы между двумя энантиомерными состояниями под действием света с круговой поляризацией

На рис. показан принцип действия хирального оптического молекулярного переключателя, в котором для индуцирования переходов между энантиомерами используется свет с круговой поляризацией (CPL). Облучение молекулы в правой М-форме (с правосторонней спиралью) светом с левосторонней круговой поляризацией (–)-(CPL) вызывает вращение верхней четырехкольцевой группы, т.е. переход от правой формы к левой Р-форме (с левосторонней спиралью). Свет с правосторонней круговой поляризацией (+)-CPL вызывает обратное превращение, т.е. переход от левой формы к правой. Для чтения состояния переключателя можно использовать линейно поляризованный свет путем регистрации изменения плоскости поляризации. Стирать информацию можно неполяризованным светом.

Основой для молекулярного переключателя могут стать конформационные изменения, включающие перегруппировку связей в молекуле, как это показано на рис. 1. Когда бесцветный спиропиран облучается ультрафиолетовым светом (кванты с энергией hv1), углеродно-кислородные связи раскрываются и образуется мероцианин. Когда мероцианин облучается видимым (красным) светом (кванты с энергией hv2) или нагревается (∆), происходит обратная перестройка молекул и вновь образуется спиропиран.

Схема фотохимического переключения спиропирана

Рис. 1. Схема фотохимического переключения спиропирана (слева) в мероцианин (справа) ультрафиолетовым облучением (hv1) и обратного переключения мероцианина в спиропиран красным светом (hv2) или нагреванием (∆)

Для создания молекулярного переключателя можно использовать катенановые молекулы, состояние которых меняется под действием электрического напряжения. В молекулах катенана одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом. При этом возможны два различных состояния переключателя, соответствующие двум различным конфигурациям молекул.

Для создания такого переключателя монослой катенана, закрепленный амфифильными фосфолипидными противоионами, помещают между двумя электродами. Конфигурация молекулы, показанная на рис. 2, а, соответствует разомкнутому состоянию переключателя, так как она характеризуется меньшей электропроводимостью, чем конфигурация, показанная на рис. 2, б, которая соответствует замкнутому состоянию. Под действием приложенного напряжения молекула окисляется, т.е. теряет электрон, в результате чего тетратиафульвалиновая группа, содержащая серу, становится положительно ионизированной и, таким образом, электростатически отталкивается от циклофановой группы, кольцо которой содержит атомы азота. Это, в свою очередь, вызывает изменение структуры, которое по существу заключается в повороте кольца, расположенного в левой части молекулы.

На рис. 4 представлена схема переключателя на основе молекулы 2-амино-4-этилнилфенил-5-нитро-1-бензолтиолата, проводимость которой меняется скачком под действием электрического напряжения. Молекула содержит тиоловую группу (SH-), которая может прикрепляться к золотому электроду, потеряв при этом атом водорода. В состав молекулы входят три бензольных кольца, последовательно связанных атомами углерода с тройными связями.

Схема изменения конформации молекулы катенана под действием электрического напряжения

Рис. 2. Схема изменения конформации молекулы катенана под действием электрического напряжения. Состояния молекулярного переключателя: разомкнутое (а) и замкнутое (б)

Схема молекулярного переключателя

Рис. 4. Схема молекулярного переключателя на основе проводящей молекулы, прикрепленной к золотым электродам

К среднему кольцу прикреплен донор электронов – аминогруппа (NH2-), которая выталкивает электроны на кольцо. На другой стороне кольца находится акцептор электронов – нитрогруппа (NO2-), которая оттягивает электроны с кольца. В результате этого центральное кольцо приобретает большой электрический дипольный момент.

На рис. 5 приведены вольт-амперные характеристики такой молекулы, прикрепленной обоими концами к золотым электродам. Электрический ток по ней начинает идти при напряжении 1,6 В, затем быстро увеличивается и резко падает при напряжении 2,1 В. Такая характеристика с отрицательным дифференциальным сопротивлением наблюдается при температуре 60 К, а при комнатной температуре она имеет обычный вид.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика молекулярного переключателя, изображенного на рис. 4

Большие перспективы имеет использование органических молекул для создания механических наноустройств. На рис. 6 показана схема одномолекулярной машины, которая преобразует энергию света в механическую работу. В основе ее конструкции лежит молекула азобензола. Эти молекулы обладают изомерными свойствами, т.е. могут состоять из одинаковых атомов и иметь то же самое количество связей, но различную равновесную конфигурацию. Молекула азобензола (рис. 6, а) при облучении светом длиной волны 313 нм может изменять свою конфигурацию с трансизомерной на цис-изомерную. При облучении цис-изомера светом с длиной волны более 380 нм можно вернуть цис-форму в первоначальную транс-форму. Эти две формы молекул различаются оптическим спектром поглощения. Важно отметить, что цис-изомер короче, чем транс-изомер. Азобензол можно полимеризовать. При этом, будучи в полимерной форме, он также может подвергаться транс-цис-превращению под действием излучения длиной волны 365 нм. В результате такого превращения длина полимерной цепочки уменьшается. Используя эти свойства молекул азобензола, можно построить молекулярную машину, действие которой основано на фотоизомеризации азобензольного полимера. Молекула полимера в транс-форме прикрепляется к кантилеверу в атомном силовом микроскопе (рис. 6, б), а затем облучается светом с длиной волны 365 нм, что заставляет полимер сжаться и изогнуть балку. Облучение светом с длиной волны 420 нм вновь переводит полимер в транс-форму, позволяя балке вернуться в исходное положение. При попеременном облучении полимера импульсами света 420 и 365 нм балка будет совершать колебания.

Одномолекулярная машина на основе молекулы азобензола

Рис. 6. Одномолекулярная машина на основе молекулы азобензола: а – индуцированная ультрафиолетовым светом цис-транс изомерия азобензола; б – схема молекулярной машины, основанная на индуцированных светом изомерных превращениях азобензольного полимера, который сокращается при переходе в цис-форму, вызывая изгиб кантилевера 

Используя принципы супрамолекулярного синтеза, можно создавать переключающиеся молекулярные ансамбли, которые изменяют свою пространственную структуру в зависимости от действия таких внешних факторов, как кислотность (рН) среды или ее электрохимический потенциал. Примером может служить ротаксан – структура, состоящая из длинной полиэфирной цепочки, которая «продета» через цикл, построенный из двух остатков дипиридила, соединенных циклофановыми мостиками (рис. 7).

Структура молекулярного переключателя – ротоксана

Рис. 7. Структура молекулярного переключателя – ротоксана

Чтобы цикл не соскочил с цепочки, ее концы снабжены объемными группами – триизопропилсилильными заместителями. В цепочку включены два типа молекулярных фрагментов – остатки 4,4′- диаминодифенила и 4,4′-дигидроксиди-фенила. Цикл обладает электроноакцепторными свойствами, в то время как фрагменты каждого типа могут обладать попеременно как электроноакцепторными, так электронодонорными свойствами – в зависимости от внешних факторов. При этом реализуются две конфигурации, находящиеся в состоянии подвижного равновесия: при смене внешних факторов цикл электростатически закрепляется то на одном, то на другом фрагменте. Таким образом, данная молекулярная структура работает как переключатель.

Наборы таких молекулярных переключателей, расположенных между металлическими электродами, образуют эффективный логический вентиль, рабочая характеристика которого показан на рис. 8.

Первоначально, когда молекулярные переключатели замкнуты, отрицательное напряжение (приложенное поперек молекул) создает довольно большой ток, возрастающий экспоненциально с приложенным напряжением. Этот участок вольт-амперной характеристики обладает высокой воспроизводимостью до тех пор, пока напряжение поперек молекулы не превысит значение +1 В. При таком напряжении происходит необратимое окисление переключателей, после чего приложение отрицательного напряжения приводит к протеканию малого тока, что соответствует разомкнутому состоянию переключателей.

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика набора молекулярных переключателей в состояниях «включено» и «выключено»

Широкое применение в наноэлектронике находят углеродные нанотрубки, имеющие уникальные электронные свойства, характер которых определяется особенностями их структуры. Особый интерес представляет электропроводность однослойных нанотрубок, зависящая от порядка расположения шестиугольников боковой поверхности относительно продольной оси нанотрубок, т.е. от направления, в котором свернут лист графена, формирующий нанотрубку. Так, зигзагные нанотрубки имеют полупроводниковые свойства, а кресельные – металлические. В свою очередь, хиральные нанотрубки могут быть либо полупроводниковыми, либо металлическими в зависимости от хирального угла θ и диаметра.

Многослойные нанотрубки, в отличие от однослойных, уже не являются хорошими одномерными проводниками. Из-за взаимодействия между отдельными вложенными друг в друга однослойными нанотрубками электрический ток протекает преимущественно в стенке внешней трубки.

Электропроводность углеродных нанотрубок существенно зависит от состава. Например, легирование их бором приводит к заметному снижению удельного электросопротивления.

Соединение двух нанотрубок, имеющих различную структуру и, соотвественно, различные электронные характеристики, представляет собой p-n-переход размером в несколько нанометров и может быть использовано в качестве основы приборов электронной техники.

Легирование полупроводниковых нанотрубок, как и обычных полупроводников, определяет тип основных носителей заряда в них. Замещая атомы углерода, бор выступает как акцепторная примесь, а азот – как донорная. Присоединение щелочных или галогенных атомов к внешней поверхности трубки также может быть использовано для этих целей, хотя этот процесс трудно поддается контролю.

Комбинируя нанотрубки и снабжая их управляющими полевыми электродами, можно создавать разнообразные электронные наноприборы, в частности, углеродные нанодиоды и нанотранзисторы.

Создание углеродных нанодиодов связано с использованием одной из характерных особенностей углеродных нанотрубок, которая заключается в возможности формирования в них локтевых соединений, которые образуются между нанотрубками кресельного и зигзагного типов и включают пятизвенное углеродное кольцо с внешней стороны локтя и семизвенное – с внутренней.

Каждая часть такого соединения имеет различную ориентацию шестичленных углеродных колец по отношению к оси нанотрубки и, следовательно, отличается от другой, сопряженной с ней части, проводящими свойствами.

На рис. 9 показаны структура локтевого соединения нанотрубок и соответствующее этой структуре изменение потенциального барьера для электронов проводимости. Cлева относительно изгиба нанотрубка является металлической, в то время как справа – полупроводниковой. Таким образом, локтевое соединение нанотрубок представляет собой гетеропереход металл – полупроводник, в котором обеспечивается однонаправленноепротекание тока.

Рис. 9. Структура локтевого соединения нанотрубок (а) и изменение потенциального барьера для электронов проводимости (б)

Односторонняя проводимость локтевого соединения нанотрубок используется для создания выпрямляющих нанодиодов (рис. 10). Нанотрубки находятся в контакте с нанопроводниками из золота, нанесенными на кварцевую подложку. В зависимости от полярности напряжения электрический ток через устройство либо отсутствует, либо протекает, линейно нарастая при увеличении напряжения выше запорного.

Односторонняя проводимость локтевого соединения нанотрубок используется для создания выпрямляющих нанодиодов (рис. 10). Нанотрубки находятся в контакте с нанопроводниками из золота, нанесенными на кварцевую подложку. В зависимости от полярности напряжения электрический ток через устройство либо отсутствует, либо протекает, линейно нарастая при увеличении напряжения выше запорного.

Рис. 10. Выпрямляющий нанодиод на основе локтевого соединения нанотрубок: а – схема устройства; б – вольт-амперная характеристика устройства

На основе углеродных нанотрубок возможно создание полевых нанотранзисторов. Их можно изготовить с использованием как полупроводниковых, так и металлических нанотрубок. В первом случае нанотранзисторы работают при комнатной температуре, во втором – при сверхнизкой.

Схема нанотранзистора на полупроводниковой нанотрубке показана на рис. 11, а. Нанотрубка помещается на два платиновых наноэлектрода, на которые подается основное напряжение, необходимое для прохождения электрического тока. В качестве третьего управляющего электрода (затвора) используется слой кремния. В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от зоны проводимости энергетической щелью. Как следствие, в отсутствие внешнего поля концентрация носителей в зоне проводимости мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод электрического поля в области нанотрубки возникает электрическое поле. При этом энергетическое распределение в зонах изменяется, что приводит к росту концентрации дырок в валентной зоне и, соответственно, электропроводности. При потенциале затвора U ≈ –6 В концентрация дырок достигает максимума, а электрическое сопротивление – минимума, в результате чего нанотрубка становится металлической (рис. 11, б).

Рис. 11. Полевой нанотранзистор на полупроводниковой нанотрубке: а – схема нанотранзистора; б – зависимость проводимости цепи нанотранзистора G от потенциала затвора U

В нанотранзисторе на металлической нанотрубке используются эффекты туннельного переноса электронов через нее. Так как длина нанотрубки конечна, то ее электронный спектр теряет непрерывность и становится дискретным. При этом дискретность энергетических уровней может составлять 1 мэВ для нанотрубки длиной 1 мкм. Такой характер расщепления уровней не сказывается на электросопротивлении нанотрубки при комнатной температуре, когда все уровни нанотрубки заселены, но заметно влияет на ее электронные свойства при температурах ниже 1 К. Проводимость такой металлической трубки определяется туннельным переходом электронов с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки – на нижний незаполненный уровень анода. В пределах нанотрубки туннелирование электронов происходит без потерь по всей ее длине. Перенос электронов между нанотрубкой и контактами двух электродов также происходит без потерь. Включение внешнего электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, вследствие чего ее электросопротивление возрастает.

В нанотранзисторах на нанотрубках сравнительно небольшое напряжение на затворе может изменять проводимость нанотрубки более чем в 106 раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Вместе с тем время переключения транзисторов на нанотрубках очень мало, тактовая частота составляет приблизительно 1 ТГц, что в 1000 раз быстрее существующих процессоров. Металлические (Pt или Au) электроды таких нанотранзисторов формируются посредством нанолитографии, а диаметр соединяющей их нанотрубки обычно составляет около 1 нм.

Полевые транзисторы на полупроводниковых нанотрубках перспективно использовать в качестве переключающих элементов в компьютере. Как известно, главной целью разработчиков компьютерной техники является увеличение количества переключателей на чипе. Подход к этой проблеме состоит в использовании переключателей меньшего размера, более тонких соединяющих их проводников и в более плотной упаковке элементов на чипе. Однако при применении существующих переключателей и соединяющих их металлических проводов на этом пути возникают определенные трудности. В частности, при уменьшении поперечного сечения металлического проводника увеличиваются его сопротивление и, следовательно, выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может быть довольно высоким, что может вызвать опасность плавления или испарения проводников. Однако углеродные нанотрубки имеют чрезвычайно низкое сопротивление, что позволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это делает их пригодными для использования в качестве соединительных проводов. Высокая теплопроводность нанотрубок означает, что их также можно использовать в качестве теплоотводов, позволяющих быстро уносить с чипа избыточное тепло.

Эффективным применением нанотрубок в компьютерной технике является создание на их основе ячеек памяти. Одной из возможных конструкций таких ячеек является запоминающая матрица, которая содержит два ряда нанотрубок, расположенных взаимно перпендикулярно в параллельных плоскостях, разделенных зазором в 1–2 нм. Приложение разности потенциалов к любому узлу матрицы вызывает изгиб нанотрубки одного ряда и ее притяжение к соответствующей нанотрубке другого ряда. При достаточном напряжении (порядка единиц вольт) происходит касание трубок, в результате чего сопротивление между ними падает на несколько порядков величин. В правильно разработанной конструкции матрицы ван-дерваальсовы силы продолжают удерживать нанотрубки в контакте и после снятия напряжения, благодаря чему реализуется ячейка энергонезависимой памяти. Стирание запоминаемого бита информации обеспечивается приложением к нанотрубкам данного узла напряжения одинаковой полярности. Такая матрица динамической памяти может характеризоваться размерами 5×5 нм, плотностью записи 1012 бит/см2 и быстродействием 100 ГГц.

При приложении электрического поля вдоль оси углеродной нанотрубки с ее концов происходит интенсивная эмиссия электронов. Плотность тока электронной эмиссии при напряжении около 500 В достигает при комнатной температуре значения порядка 0,1 А·см-2. Высокие эмиссионные свойства обусловлены чрезвычайно малыми поперечными размерами нанотрубки, благодаря чему в области вблизи ее вершины имеет место существенное увеличение напряженности электрического поля по отношению к значению, усредненному по всему межэлектродному промежутку. Большие значения эмиссии электронов с поверхности нанотрубок обеспечиваются за счет создания конфигурации эмитирующей поверхности, которая формируется из набора параллельно ориентированных нанотрубок и представляет собой щетку тонких иголок, на вершинах которых реализуется высокая напряженность электрического поля. Эмиссионные свойства нанотрубок делают их перспективными для использования в качестве полевых эмиттеров, отличающихся пониженными напряжениями питания, малой массой и размерами.

Одно из наиболее важных применений эмиссионных свойств нанотрубок состоит в усовершенствовании плоских панельных дисплеев. Такие дисплеи включают в себя два электрода – катод и анод, причем катод содержит нанотрубки, испускающие электроны. При смене полярности напряжения на электродах эмиссии не происходит, так что дисплей имеет диодную структуру. Для получения цветных дисплеев применяются люминофоры.

Для того чтобы обеспечить повышенный эффект электронной эмиссии необходимо создать определенную конфигурацию эмитирующей поверхности – в виде плотно упакованного набора параллельно ориентированных нанотрубок – наподобие щетки, как это показано на рис. 12.

 Схема дисплея на основе углеродных нанотрубок

Рис. 12. Схема дисплея на основе углеродных нанотрубок

Еще одно важное применение эмиссионных свойств нанотрубок связано с созданием катодолюминесцентных осветительных ламп. Схема такой лампы показана на рис. 13. В ней катод, испускающий электроны для возбуждения люминесценции, выполнен в виде проволоки диаметром 1 мм и длиной 7 см из сплава Fe–A1–Сr, на которую нанесены нанотрубки. Катод расположен коаксиально в цилиндрическом аноде радиусом 2,1 см и длиной 5 см, который покрыт люминесцентным слоем и помещен в вакуумную камеру.

Схема катодолюминесцентной лампы с катодом на основе углеродной нанотрубки

Рис. 13. Схема катодолюминесцентной лампы с катодом на основе углеродной нанотрубки

Катодолюминесцентные осветительные лампы с холодным катодом на основе нанотрубок характеризуются низким энергопотреблением, что их выгодно отличает от обычно используемых ламп с горячим катодом, действующих на основе термоэлектронной эмиссии.

Механические воздействия влияют на электронные свойства углеродных нанотрубок. В частности, их проводимость изменяется при изгибных деформациях. Эти изменения, пропорциональные величине изгиба нанотрубки, имеют обратимый характер в широком диапазоне изменения нагрузки. При больших нагрузках деформация нанотрубок перестает быть упругой, что приводит к необратимым изменениям их проводимости. Связь между механической нагрузкой на нанотрубку и ее электрическими характеристиками открывает возможность управления параметрами нанотрубок, входящих в состав разнообразных электронных устройств, и существенно расширяет диапазон возможных применений таких устройств.

Углеродные нанотрубки обладают высокой диамагнитной восприимчивостью, величина которой может существенно зависеть от наличия легирующих добавок. Магнитная восприимчивость нанотрубок заметно возрастает с температурой, в то время как для других форм углерода температурная зависимость магнитной восприимчивости весьма незначительна либо практически не наблюдается. Предполагается, что диамагнетизм нанотрубок обусловлен протеканием электронных токов по их окружности.

Одно из примечательных свойств нанотрубок – их высокое магнитосопротивление, т.е. ярко выраженная зависимость их электропроводности от магнитного поля. При этом в большинстве случаев проводимость растет вместе с магнитным полем.

Применение нанотрубок в электронике не ограничивается областью создания на их основе элементов электронных схем. Наряду с этим нанотрубки в силу чрезвычайно высокой механической прочности могут использоваться в качестве зонда атомного силового микроскопа, позволяющего исследовать неоднородности поверхности таких схем на нанометровом уровне. Преимущества нанотрубки как зонда определяются ее уникальными механическими свойствами, в силу которых она, ориентированная перпендикулярно твердой поверхности, испытывает изгиб лишь при превышении некоторого строго определенного усилия. Кроме того, благодаря электропроводящим свойствам нанотрубок можно рассчитывать также на их использование в качестве основы для сканирующего туннельного микроскопа.

Углеродные нанотрубки, благодаря их способности заполняться различными веществами, могут успешно использоваться для создания источников электропитания. В частности, с учетом высокой сорбционной способности нанотрубок их эффективно заполнять водородом, что имеет большое практическое значение для решения важной для водородной энергетики задачи безопасного хранения водорода.

Один из механизмов поглощения водорода нанотрубками – хемосорбция, т.е. адсорбция молекул водорода H2 на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Обычно реакции, протекающие при хемосорбции, являются экзотермическими и обратимыми, поэтому с повышением температуры образующееся химическое соединение разлагается с выделением исходных элементов. На этом принципе основан механизм десорбции хемосорбента. В частности, связанный водород можно извлечь из нанотрубки при нагреве до 600 оС. Кроме того, молекулы водорода могут связываться с поверхностью нанотрубок путём физической адсорбции посредством ван-дер-ваальсова взаимодействия.

Топливные элементы, перспективные как источники электрической энергии в автомобилях, состоят из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между ними, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где он ионизируется. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, в то время как ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и кислорода образуются молекулы воды. Такой топливной системе необходим источник водорода, который может храниться внутри углеродных нанотрубок.

На рис. 14 показана схема электрохимической ячейки для заполнения углеродных нанотрубок водородом. Однослойные нанотрубки составляют отрицательный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(ОН)2. Вода электролита разлагается с образованием положительных ионов водорода (Н+), движущихся к электроду из нанотрубок.

Схема электрохимической ячейки для заполнения углеродных нанотрубок водородом

Рис. 14. Схема электрохимической ячейки для заполнения углеродных нанотрубок водородом: 1 – источник питания; 2 – отрицательный электрод, покрытый углеродными нанотрубками; 3 – положительный электрод; 4 – электролит (водный раствор КОН)

Углеродные нанотрубки могут быть использованы при изготовлении батареек на основе лития, который также можно помещать внутрь нанотрубок.

Особый практический интерес для наноэлектроники представляют полупроводниковые нанопроволоки типа вискеров (нитевидных кристаллов). Развитие техники управляемого выращивания вискеров привело к созданию регулярных систем вискеров, в которых последние имеют одинаковые размеры и нанесены регулярным образом (например, на равных расстояниях друг от друга) (рис. 15).

Одним из возможных практических применений таких систем являются полевые острийные эмиттеры электронов или ионов. Для этого вискеры должны иметь малый радиус закругления у вершины: в этом случае, прикладывая к ним сравнительно невысокие электрические напряжения (порядка тысяч вольт), можно обеспечивать напряженности поля, достаточные для электронной (~107 В/см) и ионной (~108 В/см)

Регулярная система кремниевых вискеров эмиссий

Рис. 15. Регулярная система кремниевых вискеров эмиссий. 

В результате специальной термохимической обработки вискеров можно формировать ультраострые наконечники, у которых на вершине остается практически единственный атом (радиус закругления вершины составляет 2–3 нм). С помощью методики термохимического заострения можно получать кремниевые нанопроволоки с диаметром около 5 нм, в которых начинают ярко выражено проявляться квантовые эффекты. Полупроводниковые нанопроволоки характеризуются интенсивной световой эмиссией, которая происходит в результате фотолюминесценции или электролюминесценции. В практическом отношении наибольший интерес представляет электролюминесценция, лежащая в основе действия нанопроволочных светодиодов. Эмиссионные свойства в таких диодах проявляются в месте соединения нанопроволок с электрической проводимостью p-типа и n-типа. Для создания светодиодов используются нанопроволки из CdS, ZnS, ZnO, GaN и др. Кроме того, применяются нанопроволочные структуры типа сердечник – оболочка, например, на базе систем n-GaN/InGaN/p-GaN.

В полупроводниковых нанопроволоках может возникать сильный электрический ток под действием светового излучения. В частности, проводимость нанопроволоки из ZnO при обучении светом ультрафиолетового диапазона увеличивается на четыре порядка по сравнению с проводимостью в темноте, что делает ее перспективной для изготовления фотодетекторов.

Большая площадь поверхности и высокая проводимость полупроводниковых нанопроволок обеспечивают возможность их применения для создания солнечных элементов особого типа, состоящих из кристаллического наностержня и окружающего его полимера, в частности, из наностержня из CdSe и поли(3-этилтиофена). В таких композиционных структурах падающий свет вызывает образование связанных пар электрон – дырка (экситонов), которые формируются и в наностержне, и в полимере. Эти экситоны диффундируют к границе наностержень – полимер, где распадаются на электроны и дырки. Полимерная фаза обычно характеризуется слабой электронной подвижностью и поэтому переносит дырки, в то время как кристаллическая фаза переносит электроны. Разделенные электроны и дырки дрейфуют к внешним электродам через кристаллическую и полимерную фазы соответственно. Наностержни обладают большой площадью поверхности с хорошей химической связью с полимером, что создает условия для эффективной диссоциации экситонов и переноса зарядов. Кроме того, они (благодаря высокой проводимости) способствуют достижению электронами электродов. Наконец, они имеют значительный коэффициент поглощения и частотный интервал, что также обеспечивает повышение эффективности превращения энергии.

Кремниевые нанопроволоки можно эффективно применять в процессе изготовления полевых транзисторов, что дает ряд преимуществ, недоступных при использовании монолитного кремния. Кроме того, кремниевые нанопроволоки (по аналогии с нанотрубками) могут использоваться в коммутирующих матрицах. В таких структурах одна матрица параллельных нанопроволок накладывается на вторую матрицу нанопроволок, ориентированных под прямым углом к первой матрице. Пункты пересечения матриц можно использовать для хранения или коммутирования информации в зависимости от деталей устройства.

Металлические нанопроволоки благодаря своим электропроводящим свойствам находят применение в качестве соединительных проводов в электрических цепях. Кроме того, их можно использовать в качестве активных электронных наноэлементов благодаря тому, что в них могут проявляться квантовые свойства проводимости.

Одна из особенностей металлических нанопроводников, обеспечивающая возможности создания на их основе электронных приборов, заключается в проявлении в них транзисторного эффекта, а именно: зависимости их проводимости от внешнего электрического поля, перпендикулярного протекающему через них току.

На рис. 16 показана схема актуатора, который содержит нанопроволочную катушку, установленную на вершине стеклянного капилляра, снабженного золотым покрытием.

Актуатор на нанопроволоках

Рис. 16. Актуатор на нанопроволоках: а – схема устройства; б – принцип перемещения

Движущей силой в таком устройстве является сила отталкивания, индуцируемая электрическим зарядом, накапливаемым в катушке под действием приложенного электрического поля. Под действием приложенного напряжения катушка растягивается, так как между ее витками возникает электрическая сила отталкивания. После снятия напряжения катушка сжимается.

На рис. 17, а показана аналогичная по принципу действия схема переключателя с нанопроволочными элементами конструкции. Переключатель содержит золотой электрод, сформированный на слое из SiO2, нанесенном на кремниевую подложку. На этом электроде установлены катушка и свободно расположенный в пространстве электропровод из нанопроволоки для обеспечения функции переключения. Электрический заряд (положительный или отрицательный) прикладывается к катушке, а противоположный по знаку – к электропроводу. Под действием приложенного напряжения катушка растягивается, перемещаясь вверх. В то же время катушка и электропровод притягиваются друг к другу, та как они имеют противоположные заряды. Это притяжение приводит к контакту катушки с электропроводом, когда достигается некоторое предельное напряжение.

Переключатель на нанопроволоках

Рис. 17. Переключатель на нанопроволоках: а – схема устройства; б и в – состояния переключателя до и после приложения напряжения соответственно

В современных компьютерах широко используются устройства считывания и хранения информации, действующие на принципе магнитной записи. Для создания таких устройств служат наноматериалы с эффектами гигантского и туннельного магнитосопротивлений.

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) наблюдается в многослойных магниторезистивных наноструктурах. Возникновение ГМС в таких структурах связано со спин-зависимым рассеянием электронов на границе магнитных и немагнитных слоев. Эффект имеет место, когда электрический ток пропускают как в плоскости этих слоев, так и перпендикулярно им. Эти основные конфигурации называются конфигурациями с протеканием тока в плоскости и с протеканием тока перпендикулярно плоскости структуры.

Тонкопленочная структура с плоскопараллельной геометрией протекающих токов для наблюдения эффекта ГМС схематически показана на рис. 18. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри суженных каналов.

Эффект гигантского магнетосопротивления в нанопленочной структуре с протеканием тока в плоскости слоев

Рис. 18. Эффект гигантского магнетосопротивления в нанопленочной структуре с протеканием тока в плоскости слоев: а – антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев (высокое сопротивление); б – параллельная намагниченность ферромагнитных слоев (низкое сопротивление)

Минимальное сопротивление структуры получается тогда, когда магнитные моменты слоев ориентированы в одном направлении с внешним магнитным полем. Магнитное поле, необходимое для достижения параллельности всех состояний намагничивания (наименьшее сопротивление), обычно называется полем насыщения. Уменьшение сопротивления может достигать нескольких сотен процентов при низких температурах. Наиболее ярко эффект наблюдается в Fe–Cr- и Co–Сu-многослойных структурах. Он усиливается с увеличением числа слоев и достигает своего максимума приблизительно для 100 слоев при толщине каждого слоя несколько нанометров.

Взаимная ориентация магнитных моментов двух соседних магнитных слоев зависит от толщины промежуточного немагнитного слоя. Фактически ориентация магнитных моментов магнитных слоев колеблется между параллельной (для ферромагнетика) и антипараллельной (для антиферромагнетика), как функция толщины немагнитного слоя. Это явление называют осциллирующим обменным взаимодействием. В результате такой связи магнитосопротивление колеблется при изменении толщины немагнитного слоя. Эффект ГМС имеет место только для тех значений толщины немагнитного слоя, для которых обменная связь с промежуточным слоем достаточна для выстраивания магнитных моментов магнитных слоев антипараллельно.

С увеличением напряженности магнитного поля магнитосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи.

Изменения магнитосопротивления в структурах с перпендикулярной геометрией дают больший эффект благодаря устранению шунтирующего тока, проходящего через промежуточные немагнитные слои, отделяющие ферромагнитные слои. В этом случае все носители испытывают спин-зависимое рассеивание при пересечении каждой границы раздела многослойной структуры. Однако низкое сопротивление полностью металлических структур требует применения методов нанолитографии для изготовления вертикальных элементов с очень малым поперечным сечением, чтобы получить изменение сопротивления, достаточное для практической регистрации.

На рис. 19 схематически показаны основные черты вертикального транспорта. Когда намагниченности двух ферромагнетиков противоположны по направлению (антипараллельны), спинполяризованные носители, выходящие из одного ферромагнетика, не могут разместиться в другом ферромагнетике. Они рассеиваются на границе раздела, вызывая рост сопротивления. Напротив, одинаковое направление намагниченности обоих ферромагнетиков гарантирует идентичность спин-поляризации инжектируемых электронов и электронных состояний в следующем ферромагнитном слое. Таким образом, рассеивание носителей на границах раздела минимизировано, что соответствует самому низкому вертикальному сопротивлению структуры.

Толщину слоев, как правило, выбирают исходя из того, чтобы в каждом слое расстояние, на котором электрон сохраняет определенную ориентацию спина, было бы намного больше толщины этого слоя. Такое условие обычно хорошо выполняется при толщинах менее 10 нм. Электрон должен иметь возможность пройти через множество слоев, прежде чем ориентация его спина изменится. В пределах этой длины каждая магнитная граница раздела может действовать как фильтр для спина. Чем больше количество рассеивающих границ раздела, с которыми взаимодействует электрон, тем сильнее эффект фильтрования. Это и объясняет увеличение гигантского магнитосопротивления с увеличением числа слоев.

Спин-поляризованный транспорт электронов

Рис. 19. Спин-поляризованный транспорт электронов через слоистые структуры ферромагнетик – немагнетик – ферромагнетик: а – антипараллельная намагниченность ферромагнитных слоев – высокое сопротивление; б – параллельная намагниченность ферромагнитных слоев – низкое сопротивление

Толщину слоев, как правило, выбирают исходя из того, чтобы в каждом слое расстояние, на котором электрон сохраняет определенную ориентацию спина, было бы намного больше толщины этого слоя. Такое условие обычно хорошо выполняется при толщинах менее 10 нм. Электрон должен иметь возможность пройти через множество слоев, прежде чем ориентация его спина изменится. В пределах этой длины каждая магнитная граница раздела может действовать как фильтр для спина. Чем больше количество рассеивающих границ раздела, с которыми взаимодействует электрон, тем сильнее эффект фильтрования. Это и объясняет увеличение гигантского магнитосопротивления с увеличением числа слоев.

Тонкопленочная структура, состоящая из двух ферромагнитных слоев, обычно рассматривается как спиновый затвор. Он конструируется так, что магнитный момент одного ферромагнитного слоя является устойчивым к реверсированию приложенного внешнего магнитного поля, в то время как магнитный момент другого слоя при этих же условиях очень легко реверсируется. Этот магнитомягкий слой действует, таким образом, как затвор, чувствительный к действию внешнего магнитного поля. Типичное значение изменения сопротивления составляет приблизительно 1 % на эрстед.

Спиновые затворы применяются для контроля магнитных полей, магнитной записи информации и для других приложений в магнитных приборах.

Метод, наиболее часто используемый для достижения встречной ориентации магнитных моментов двух магнитных пленок в структуре спинового затвора, состоит в том, что последовательно осаждаются два ферромагнитных материала, которые по-разному реагируют на магнитные поля, например, кобальт и пермаллой (Ni80Fe20). Коэрцитивная сила пермаллоя меньше, чем у кобальта. Допустим, что в данной пленочной структуре пермаллой и кобальт первоначально намагничены в одном и том же направлении (состояние низкого сопротивления). Если к ним прикладывается обратное магнитное поле с напряженностью выше коэрцитивной силы пермаллоя, но меньше коэрцитивной силы кобальта, то достигается состояние с антипараллельными (встречными) магнитными ориентациями – состояние высокого сопротивления.

Усовершенствование процесса создания двух магнитных слоев с различными магнитными свойствами достигается и при использовании антиферромагнетика в контакте с ферромагнитным слоем для эффективного «связывания» намагничивания в ферромагнитном слое. При соответствующих условиях осаждения и отжига антиферромагнетик и ферромагнетик взаимодействуют, образуя тонкий промежуточный слой из смеси антиферромагнетика и ферромагнетика, то есть они «связываются» (в части магнитных свойств) на границе раздела. Это связывание влияет на ферромагнитный слой до полей около 104 А/м. При приложении более высоких полей первоначальное состояние связанного слоя восстанавливается после релаксации поля.

Дальнейшее усовершенствование связывания антиферромагнетика включает сильную антипараллельную связь между двумя магнитными пленками с тонким промежуточным слоем из какого-либо металла, например рутения. Пара антипараллельно связанных ферромагнитных пленок может дать эквивалентное поле величиной приблизительно 10 А/м, что значительно выше используемых в большинстве приборов полей. Такая структура обычно называется искусственным антиферромагнетиком. Когда один из ферромагнитных слоев в искусственном антиферромагнетике «связывается» своей внешней поверхностью с антиферромагнитным слоем, образуется структура, очень устойчивая к чрезвычайно высоким полям и температурам, вплоть до температуры Нееля для антиферромагнетика (выше этой температуры антиферромагнетик по своим магнитным свойствам превращается в парамагнетик). В результате структура может находиться в состоянии с высоким сопротивлением в широком диапазоне магнитных полей.

Существует другой вариант структуры спинового затвора – так называемый псевдоспиновый затвор. Он состоит из двух магнитных слоев, которые имеют разные магнитные свойства, в результате чего изменение намагниченности в одном из них происходит при более низких магнитных полях, чем в другом. Никакой «связующий» слой в этом случае не используется, и два магнитных слоя могут иметь один и тот же состав, но различную толщину, если комбинированные пленочные слои вытравливают в виде маленьких областей. В этом случае малый боковой размер структуры дает поля перемагничивания, которые заставляют более тонкий из двух слоев переключаться при более низких магнитных полях, чем более толстый слой. Чтобы создавать параллельную или антипараллельную намагниченность обоих слоев, можно управлять намагничиванием магнитомягкого слоя без переключения магнитотвердого слоя. Самое низкое сопротивление имеет место при таких значениях поля, при которых векторы намагниченности обоих слоев совпадают по направлению.

Спиновые и псевдоспиновые затворы обычно имеют значения магнитосопротивления при комнатной температуре в диапазоне 5–10 % и поля насыщения между 800 и 8000 А/м.

В гранулированных магнитных нанопленках механизм ГМСэффекта связан со спин-зависимым рассеянием электронов на магнитных нанокластерах, расположенных в немагнитной матрице.

В гранулированных нанопленках структура имеет вид диамагнитной (например, Cu) или парамагнитной (например, Re) матрицы, содержащей нановключения ферромагнитного материала (например, Co, Fe, Ni). Первоначально интерес к гранулированным сплавам появился вследствие возможности использования их в качестве магниторезистивных элементов вместо традиционно применяемых датчиков на основе пленок пермаллоя. По сравнению с последними, нанопленки на основе гранулированных сплавов более перспективны из-за того, что, во-первых, при определенных условиях они обладают эффектом (ГМС), и, во-вторых, по сравнению с ферромагнитными сплавами имеют более низкие шумы из-за отсутствия доменных стенок. Такие нанопленки эффективно использовать в качестве материала носителя информации в устройствах со сверхвысокоплотной записью. Мелкие однодоменные частицы ферромагнитного металла, например, Co, образуют суперпарамагнитный ансамбль магнитных моментов, имеющих в отсутствие внешнего магнитного поля произвольную ориентацию вследствие теплового движения. Во внешнем поле эти моменты приводятся в упорядочение, что обусловливает более низкое резистивное состояние.

Магнитные и магниторезистивные свойства гранулированных сплавов определяются, главным образом, распределением магнитных кластеров по размерам в немагнитной матрице, расстоянием между ними и степенью резкости перехода химического состава между наногранулами и матрицей.

Одной из наиболее перспективных систем, проявляющих ГМС, является система Cu/Co, которую можно использовать для формирования как многослойных, так и гранулированных нанопленочных покрытий.

В практическом отношении весьма перспективны структуры, обладающие эффектом туннельного магнитосопротивления. Наибольшее распространение получили многослойные структуры, которые формируются из ферромагнитных слоев Со, CoCr, CoFe или других ферромагнитных сплавов, разделенных слоем толщиной до нескольких нанометров из таких диэлектриков, как А12О3, MgO, Та2О3.

Магнитосопротивление туннельных переходов является функцией приложенного напряжения, напряженности магнитного поля и температуры. В отсутствие магнитного поля туннельный переход, если он идеальный, имеет почти постоянную проводимость при низких смещениях, которые находятся в мВ-диапазоне. При более высоких напряжениях наблюдается близкая к параболической зависимость проводимости от прикладываемого напряжения. Типичная зависимость магнитосопротивления от направления и напряженности магнитного поля показана на рис. 20, где представлены экспериментальные данные для CoFe-А12О3-Со-структуры, а также Со-, CoFe-пленок. Две кривые для каждой структуры соответствуют двум противоположным начальным направлениям приложенного магнитного поля, а именно: черные – для начала из «+» и серые – для начала из «–» области. При высоких начальных полях магнитосопротивление перехода невелико, потому что направления намагниченности обоих ферромагнитных электродов и, следовательно, спин-поляризации совпадают (черная кривая).

Сопротивление начинает увеличиваться по мере того, как напряженность магнитного поля уменьшается до нуля. После изменения направления поля магнетосопротивление быстро повышается, демонстрируя пик (серая кривая).

В обратном магнитном поле намагниченность электрода с более низкой коэрцитивной силой самовыравнивается в новом направлении, в то время как второй электрод с более высокой коэрцитивной силой остается намагниченным в первоначальном направлении поля. Намагниченности двух электродов антипараллельны друг другу.

Заметим, что коэрцитивная сила ферромагнитной пленки легко задается условиями осаждения (напряженность магнитного поля, температура подложки, наличие зародышевого слоя, толщина пленки и т.д.).

При дальнейшем увеличении напряженности поля наступает момент, когда она становится достаточной, для того чтобы установить намагниченность второго ферромагнитного электрода в новом направлении поля. Намагниченность обоих слоев из антипараллельной становится параллельной. Магнитосопротивление падает до своего первоначального значения. При высоких полях намагниченности обоих электродов насыщаются и параллельны друг другу. Когда направления намагниченности параллельны, вероятность туннелирования самая высокая и туннельный ток достигает своего максимума, приводя к низкому сопротивлению перехода. В антипараллельном состоянии вероятность туннелирования и ток самые низкие, что соответствует более высокому сопротивлению.

Рис. 20. Зависимость магнитосопротивления двух ферромагнитных тонких пленок и основанного на них туннельного перехода от направления и напряженности магнитного поля при комнатной температуре (стрелки указывают направления намагничивания в пленках)

Модель спин-зависимого туннелирования между двумя поразному намагниченными ферромагнитными электродами, разделенными тонким диэлектриком, предполагает, что спин сохраняется при туннелировании и туннельный ток зависит от плотности электронных состояний в двух электродах. При этом можно ожидать, что вероятность туннелирования будет зависеть от относительной намагниченности ферромагнитных пленок. Изменение туннельного сопротивления, которое, можно полагать, будет самым высоким магнитосопротивлением туннельного перехода, дается уравнением

где Rp и Rap – сопротивления электродов с параллельным и антипараллельным намагничиванием соответственно;

Р1 и Р2 – спиновая поляризация электронов проводимости в ферромагнитных электродах.

Изменение магнитосопротивления туннельного перехода в зависимости от величины смещения на постоянном токе можно проиллюстрировать экспериментальными данными для СоFе-Аl2O3-Соструктуры. При комнатной температуре магнитосопротивление остается почти постоянным, пока внешнее смещение повышают от 0 до нескольких милливольт. При более высоких напряжениях оно быстро понижается. Такой характер зависимости сопротивления от смещения типичен для температур в диапазоне от жидкого гелия до комнатной, в то время, как при том же самом смещении магнитосопротивление уменьшается с ростом температуры. Существует несколько причин, способствующих уменьшению магнитосопротивления со смещением: зависимость высоты барьера от смещения, образование магнонов (квантованных спин-волн), влияние плотности электронных состояний в ферромагнетике. Увеличение смещения, как известно, понижает эффективную высоту барьера. Это неизбежно увеличивает вероятность туннелирования для электронов с «неосновными» спинами. Самое высокое магнитосопротивление туннельного перехода при комнатной температуре и при низком смещении, которое составляет 20–23 %, было экспериментально получено для изолирующих слоев на основе А12О3.

Выше говорилось о больших возможностях применения углеродных нанотрубок в наноэлектронике благодаря их уникальным электронным свойствам. Следует отметить, что углеродные нанотрубки также характеризуются уникальными механическими свойствами, что позволяет широко использовать их в качестве элементной базы в наномеханике.

Углеродные нанотрубки обладают высокой прочностью, которая проявляется в их способности сопротивляться деформированию и разрушению под действием внешних нагрузок. Особенно высока их прочность на растяжение, значение которой характеризуется модулем Юнга E. Чем больше модуль Юнга, тем менее податлив материал действию приложенной к нему нагрузки. Так, для стали E = 0,21 ТПа, что приблизительно в 30000 раз больше для резины (1 ТПа = 1012 Па). В свою очередь, для углеродных нанотрубок E = 1,28-1,8 ТПа, т.е. почти в 10 раз больше, чем для стали. Предел прочности на растяжение, т.е. напряжение, соответствующее максимальному значению нагрузки в момент разрыва образца, для однослойных углеродных нанотрубок составляет 45 ГПа (1 ГПа = 109 Па), в то время как стальные образцы разрушаются при 2 ГПа. Таким образом, однослойные нанотрубки приблизительно в 20 раз прочнее стали. Многослойные нанотрубки также имеют прочностные характеристики более высокие, чем у стали, однако по прочности они уступают однослойным нанотрубкам. Например, предел прочности на разрыв многослойных нанотрубок диаметром 200 нм составляет 7 ГПа.

Казалось бы, что углеродные нанотрубки, обладая столь большой прочностью, должны быть очень жесткими и трудно сгибаемыми, однако в действительности это не совсем так из-за того, что они являются весьма тонкими. Углеродные нанотрубки проявляют высокую упругость при изгибе: под действием нагрузки они способны гнуться как соломинки, не ломаясь, и распрямляться без повреждений после снятия нагрузки. Нанотрубки можно многократно изгибать без разрушения, что свидетельствует об их высокой эластичности.

Существует две основных причины того, что нанотрубки не ломаются при изгибе. Первая причина связана с высоким совершенством структуры нанотрубок, отсутствием или малым содержанием структурных дефектов, которые могли бы вызвать разрушение нанотрубок. Вторая причина связана с тем, что шестизвенные углеродные кольца стенок нанотрубок при изгибе могут деформироваться, изменяя свою конфигурацию в местах изгиба. При этом нанотрубки в месте изгиба расплющиваются, т.е. ведут себя подобно макроскопическим резиновым трубкам. Такого рода изгибы наблюдаются как для однослойных, так и для многослойных нанотрубок.

Особенно большой гибкостью обладают однослойные нанотрубки: их можно завязывать в узел и снова выпрямлять, не причиняя им вреда. Более жесткими являются многослойные нанотрубки.

Одно из наиболее перспективных применений нанотрубок в наномеханике связано с созданием устройств для передачи движения. На рис. 21 показан простой «подшипник» на нанотрубках, состоящий из внутреннего цилиндра (стержня) и более короткого внешнего цилиндра (муфты), разделенных зазором, немного большим, чем межплоскостной промежуток в графите.

Наноподшипник

Рис. 21. Наноподшипник

Рис. 22 демонстрирует идею создания более сложного устройства – зубчатой передачи. Зубьями шестеренки являются молекулы бензола, присоединенные с внешней стороны нанотрубки. Согласно результатам моделирования, такие звездочки могут вращаться, зацепляясь одна за другую, с высокими угловыми скоростями без разрушения. Ведущее зубчатое колесо может быть заряжено таким образом, чтобы дипольный момент был ориентирован поперек оси трубки; в этом случае приложение переменного электрического поля будет приводить эту шестерню во вращение. Аналогичным образом может быть сконструирована червячная передача (рис. 23).

Зубчатая передача на нанотрубках

Рис. 22. Зубчатая передача на нанотрубках

Червячная передача на нанотрубках

Рис. 23. Червячная передача на нанотрубках

Многослойные углеродные нанотрубки, благодаря возможности относительного винтового движения слоев, выступающих в качестве пары наноболт – наногайка, могут быть использованы для создания наномоторов, в которых осуществляется преобразование поступательной силы во вращение слоев.

Схема такого мотора на основе четырехслойной нанотрубки показана на рис. 24. Внутренний слой 1 нанотрубки, закрепленный неподвижно, является статором, в то время как слои 2 и 3 – роторами. Слои 3 и 4 образуют пару наноболт – наногайка и служат для преобразования силы, приложенной к слою 4 и направленной вдоль оси нанотрубки, во вращение ротора. Заряды на краях слоев 4 могут быть получены в результате химической адсорбции и служат для управления наномотором с помощью электрического поля.

Наномотор на основе четырехслойной нанотрубки

Рис. 24. Наномотор на основе четырехслойной нанотрубки

Однослойные углеродные нанотрубки при сообщении им электрического заряда способны деформироваться.

Рис. 25. Схема актуатора, cостоящего из двух листов однослойных нанотрубок, удерживаемых вместе двусторонним скотчем. Состояния актуатора: при положительном напряжении (справа), нейтральное (в центре) и при отрицательном напряжении (слева)

Это свойство нанотрубок лежит в основе создания актуакторов, преобразующих электрическую энергию в механическую, или наоборот.

Такое устройство, модель которого показана на рис. 25, состоит из полос размером 3×20 мм и толщиной 25–50 мкм. Каждая полоса представляет собой лист из однослойных углеродных нанотрубок, продольные оси которых лежат в плоскости листа, но случайным образом ориентированы друг относительно друга. Две полосы соединяются друг с другом с помощью двустороннего скотча. Изолирующий пластиковый зажим скрепляет полосы сверху и фиксирует электрические контакты. Листы находятся в электролите из раствора хлористого натрия. Электрическое напряжение в несколько вольт, приложенное к полосам вызывает их отклонение на конце до сантиметра. Направление отклонения меняется на противоположное при смене полярности напряжения. Подключение переменного напряжения вызывает колебания полос. По такому принципу можно создавать наноактуаторы, состоящие из трех однослойных углеродных нанотрубок, из которых две внешние должны быть металлическими, а внутренняя – изолирующей. Нанотрубки устанавливаются параллельно осям и находятся в плотном контакте.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *