Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» провели исследование по изучению свойств фуллереновых нанотрубок или, так называемого, "углеродного гороха" при растяжении. Оказалось, что такое воздействие превращает полупроводник в металл. Данные, полученные в исследовании, помогут в разработке сложной наноэлектроники. Результаты работы могут быть использованы для создания электромеханических переключателей и сенсоров, резонансно-туннельных диодов и логических элементов для микросхем. Научная статья опубликована в "Diamond and Related Materials".
Металлы обычно характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, повышением электрического сопротивления при нагревании и металлическим блеском.
Эти свойства обусловлены наличием свободных электронов, которые могут двигаться под действием электрического поля. Поэтому материалы сложного состава, имеющие свободные электроны, ведут себя подобно металлам.
За последние три десятилетия было синтезировано множество новых углеродных материалов, в числе которых – нанотрубка, заполненная фуллеренами. Из-за внешнего сходства со стручком, набитым горошинами, ее прозвали "углеродным горохом".
«Оказалось, что углеродный горох можно использовать и как полупроводник, и как металл, — поясняет доцент кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин. — Достаточно растянуть его всего на 4%, чтобы проявились металлические свойства. Высокая упругость гороха позволяет ему легко переносить такие растяжения».
Расстояние между фуллеренами и поверхностью нанотрубки так мало, что электронные облака могут проникать из нанотрубки в фуллерены и обратно, — это явление называется гибридизацией. Степень гибридизации определяет электронные свойства приборов, которые можно изготовить на основе углеродного гороха.
«Все определяется соотношением энергий электронов, принадлежащих нанотрубке и фуллеренам, – рассказывает доцент кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Михаил Маслов. – Наша нанотрубка изначально была полупроводником и обладала энергетической щелью. Электроны из фуллеренов не могли заполнить эту щель, поскольку не обладали подходящей энергией. Однако прикладывание механического напряжения меняло всю картину: энергетические уровни сдвигались, и горох демонстрировал металлические свойства».
Сегодня для создания сложных наноэлектронных приборов приходится использовать множество различных материалов – как металлов, так и полупроводников. Однако данные ученых НИЯУ МИФИ подтверждают, что их возможно заменить одним-единственным соединением – углеродным горохом, подвергнутым различным механическим напряжениям. Это позволит упростить устройство резонансно-тунельных диодов, генераторов терагерцового излучения, электронных переключателей и сенсоров.