Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Нагрузки, при которых наблюдается наноконтактное взаимодействие, могут возникать при трении без смазочного материала (сухом трении), абразивном и эрозионном износе поверхности мелкими частичками, локальной приповерхностной усталости, фреттинг-коррозии и т. п.

Другое уникальное свойство наноструктур – квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой (по крайней мере в одном направлении) ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, вызывая дополнительное квантование энергетических уровней. Данное явление получило название квантового ограничения.

Так, с одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью (выше, чем проводимость у признанных электрических проводников, например меди и серебра), а с другой стороны, большинство трубок – это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспектива разработки запоминающих устройств с плотностью записи до 1014 бит/см2.

Одно из самых замечательных свойств – связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантово-химических расчетов. Налицо возможность создания новых электронных приборов с рекордно малыми размерами. Еще одно достоинство нанотрубок связано с холодной эмиссией электронов, которая возникает при приложении электрического поля вдоль оси трубки. Напряженность поля в окрестности верхней части в сотни раз превышает напряженность, существующую в объеме, что приводит к аномально высоким значениям тока эмиссии при сравнительно низком внешнем напряжении и позволяет использовать нанотрубные макроскопические системы в качестве холодных эмиссионных катодов.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах может сопровождаться интерференцией. Ее отличительная особенность состоит в том, что наличие заряда у электрона дает возможность управления им с помощью локального электростатического или электромагнитного поля, влияя на распространение электронных волн.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются.

По данным Nanotechweb, группой ученых из лабораторий IBM (США) и Университета Твенте (Нидерланды) при исследовании структуры дефектов нанотрубок выявлено, что углеродные нанотрубки могут излучать инфракрасное излучение. «Обнаруженная электролюминесценция локализована в области дефектов в регулярной структуре наноматериала, – заявил доктор Фаэдон Авурис (Phaedon Avouris). – Электрический ток возбуждает пары электрон – дырка в местах дефектов, что и приводит к излучению».

Доктор Авурис отмечает, что по интенсивности процесс излучения на несколько порядков превышает аналогичные процессы в балк-полупроводниках. Это, по его мнению, объясняется более сильным взаимодействием электронов и дырок, вызванным «одномерным» характером структуры нанотрубок.

Открытие униполярной люминесценции позволит определять микродефекты наноматериалов, в том числе и нанотрубок. Для более наглядного подтверждения эффекта фотолюминесценции доктор Авурис и его коллеги создали полевой транзистор на основе нанотрубки. Вход и выход устройства состоят из слоев палладия толщиной 20 нм и слоя титана толщиной 0,5 нм. Транзистор находится на подложке из полиметилметакрилата (PMMA), что создает диэлектрическую среду для работы транзистора.

«Механизм свечения нанотрубок в инфракрасном диапазоне схож с аналогичными явлениями в светоизлучающих макроскопических светодиодах, – отмечает Авурис. – Однако в нашем случае фотоэмиссия более интенсивна вследствие специфической морфологии нанотрубок. Есть еще одно важное отличие от макросветодиодов: нанотрубке не нужен допинг для формирования фотосистемы. Также нанотрубки излучают свет по всей своей длине, что довольно необычно».

Особый интерес представляют уникальные свойства квантовых точек, в частности оптические и фотолюминесцирующие эффекты, при которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а взаимодействие электронов и вакансий приводит к флуоресценции (табл. 8). Квантовые точки обладают достаточно узким и симметричным пиком флуоресценции. В зависимости от размера и состава (типа) квантовых точек флуоресценция может наблюдаться не только в видимой части спектра, но и в ультрафиолетовой или инфракрасной области.

Таблица 8. Характеристики некоторых квантовых точек

При этом из указанных полупроводниковых соединений получают гетероструктуры, оптические характеристики которых отличаются от исходных свойств «материнских» соединений. Наиболее распространенной технологией является эпитаксия (наращивание) оболочки более широкозонного полупроводника (например, ZnS) на ядро из узкозонного (например, CdSe).

Указанные уникальные свойства, наряду с более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуоресцирующими материалами, обеспечивают прекрасные возможности широкого использования квантовых точек в различных оптических и электронных устройствах будущего. Наиболее прогрессивными и многообещающими отраслями могут стать производство сверхминиатюрных светодиодов (возможно, дисплеев) и оптических сенсоров, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств, фотодетекторов в инфракрасной области, солнечных батарей, генераторов белого света, флуоресцирующих маркеров и фотосенсибилизаторов в медицине и многие-многие другие.