нанотрубки (Углеродные нанотрубки), страница 7

= 1О кОьз!ззкм к проводиикаы. Наименьший разброс в з»ачсниях характеристик проводимости имеют нанотрубки с кресельной структурой и хиральностью (1О, !О). Сопротивление образцов этих УНТ диаметром 1,38 нм н длиной 3 мкм при комнатной тсмпературс и расстоянии между контактами Е = 140 ны составило 550 кОм (П = 1,8 мкСм).

Сопротивление контактов при комнатной температуре оценивают в 300 кОы (О = З,З мкСм) и 1 МОм при 4 К ~2!. ЗЗ Вели в отношении проводимости однослойных УНТ сложилась устойчивое мнение а баллистическом механизме переноса заряда, то при оценке механизма проводимости многослойных УНТ мнения разделились 12, 4, 81. Например, в измерениях злектросопротивления отдельных многослойных УНТ диаметром 77 = 3...40 нм с расстоянием между электродами 7. = 100 „. 400 нм и сопротивлением контакгов 1... 10 кОМ установлен небаллистический характер переноса заряда, а нанотрубки отнесены к двумерным проводникам длиной 7, и толщиной 27 18), Вместе с тем известен результат эксперимента, в котором положение многослойной УНТ при ее погружении с частотой 0,1...10 Гц на глубину 0,1„.7 мкм в резервуар с ртутью, с которым УНТ связана электрически, фиксировалось по току в цепи.

Обнаружено, тто проводимость УНТ при начале ее контакта с ртутью изменяется не плавно, как в случае классического проводника, а увеличивается скачком на значение кванта проводимости (3 = 2«э /)э =12,9 1/кОл! и не меняется при дальнейшем перемещении на глубину 2 мкм и возвращении без разрыва контакта с ртутью. Ввод в контакт с ртутью новой УНТ также сопровождается скачком проводимости на значение, равное Гх В течение длительного времени УНТ не разрушалась при относительно высоком напряжении б В, а рассеяние энергии при этом напряжении в случае классического проводника привело бы к нагреву УНТ до 20 000 К (4, 101. Электрические характеристики многослойных УНТ диаметром 20 и длиной 200 нм исследованы как функции температуры (Т = 0,03...100 К) и магнитного поля при расстоянии между контактами 800 нм.

При Т > 1 К проводимость является линейной функцией 1п7; чта характерно для полупроводников; при 0,01 К наступает насыщение (2). Прямая зависимость проводимости ат температуры не характерна для различных форм углерода. В высококачественном монокристалле графита сопротивление быстро падает при уменьшении температуры ниже 100 К, Эффект обьясияют уъшньшением фонониога рассеяния при низкой температуре. У менее упорядочеиных модификаций углерода (пиралитичаского графита, коксового угля, сажи, стеклаобразнога углерода) сопротивление растет при падении температуры (4 (, У многослойной УНТ диаметром 50 нм при 7' < 1 К выявлен рост проводимости с поиижеииел! температуры и увеличением индукции магнитного поля.

Также установлена зависимость удельного сопротивления от температуры синтеза УНТ, при увеличении которой от 1000 до 3000 К отмечено резкое свих<анис удельного сопротивления до 10 Ои м 121. -г Оценки влияния межслоевой связи на зле«тронные свойства многослойных (в частности, двухслойных) УНТ противоречивы. Име!отса данные, что зто влияние мало, и кояксияльные трубки типа «металл — металл», «металл — полупроводник», «полупровадиик — палуп(>овадии!О> и «пал)'п)эавадиик — ыстялл>> сох!эш1яют индивидуальные свойства в системс.

По другим даииым, касаю1циися конкретно кресельной металлической УНТ с хиральпостью (10„10), при ее расположении внутри металлической УНТ (! 5, 15) сохраняются металлические свойства коаксиальиой системы. В случае (эазмеп(еиия вэ>утри иее металл!и!Сохой УНТ (5. 5) у колке>шльной системы появляются полупроводииковыс свойства (4!. Воздействие магнитного поля на проводимость У1.ГГ рассмат ривают кяк способ изменения граничных условий, опрсдсл>пошпх нарезание энергетических зон. Магнитосопротивлснпсь! называют изменение электрического сопротивления вещества прп приложении постоянного магнитного паля. Углеродные иаиотрубки обладают отрицательным магниторезистивныл! свойством. Ирп котором электрическое сопротивление падает с увсличеиисл! Индукции магнитного полл, а проводимость увеличивается.

Влияние магнитиого поля, прилохшнного вдоль и поперек оси УНТ, оценивают раздельно. Теоретически определена возможность осцилляции энергетической щели с изменением ипдукц<ш магнитного поля независима от иаправлшцш его приложения Первоиа~!альио л!Стаял>п!Сскяя УНТ стяиовится подул!>аводлщсп, я затем сиавя металли~>сохой, в зависимости От иидукцпп м'>ш<птпаго поля (4].

Экспериментально обнаружены колебания элш<трнчсского сопротивления УНТ при температуре 0,02 .. 70 К и направлении действия магнитиого поля параллельно осп УНТ (2, 4. !О!. Результат приписывают действию кваитово-механического эффекта Ааронава — Бал!а, п)эи ката)эом м!п<)эочястпц(1 мажет испыты" вать электрамагиитнос воздействие в области пространства. где электромагнитное поле отсутствуег (2, 4, !(Ц. Из-за пнгсрфсрш<- ции электронов образца УНТ с параллельным магнитным полем колебания его электропроводности зависят от потока магнитной индукции паля. Для многослойных УНТ отмечено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических данных по колебаниям электрического сопротивления при параллельнол! действии л!агнитного поля, что предположительно связано с течением тока по одному-двум внешним слоям.

Амплитуда колебаний сопротивления составляет около 30 % от его значения и сравнима с квантом сопротивления Ы(2ез) = 12„9 кОм, Прн перпендикулярной ориентации однородного магнитного поля относительно УНТ экспериментально обнаружены большие колебания электрического сопротивления УНТ и падение последнего при Т= 0,02...4,20 К и Е = 0... 14 Тл 12, 4!. Причину этого связывают с появлением новых энергетических уровней электронов (уровней Ландау) при их, в общем случае, спиральном движении в перпендикулярном относительно УНТ магнитном пале параллельна вектору магнитной индукции. Из-за того что уровни расположены в точке пересечения в«алеитной зоны и зоны проводимости близко к наивысшему из заполненных уровней (уровню Ферми), возникает большое чнсла возможных состояний, способствующих увеличению энергии электронов.

Это повышает проводимость материала (2«9, ! О). Согласно измерениям удельное сопротивление жгутов УНТ диаметром в несколько десятков нанометров составляет 0,65 Ом м при Т = 300 К н 1,6 Ом м прн Т = 5 К !2). Удсльнос сопротивление жгутов из однослойных УНТ (без указания температуры и диаметра) составила (3... !О) !О= Ом.м [41. Электропроводнасть жгутов существенно изменяется при нх олл!ерк!!юроволии (внедрении) донорами или акцспторамн электронов. Акцепторам электронов слух!или молекулы Вг. в соотношении С;Вгь а донором — К в соотношении КСН В исследованиях на жгутах преимущественно из УНТ с хнральностью (!О, !О) установлена, чта использование брома вызывает снижение удельного сопротивления при комнатной температуре от 1,6 до О,! Ом м.

Сопротивление возрастает на 50 % при увеличении температуры от 150 до 450 К. Интеркалирование калием приводит к двадцатикратному снижени!О сапротнвлсння прн комнатной темпсрат)'р!.. Слабо возрастающая температурная зависимость сопротивления в интервале температур 100...300 К указывает на металлический характер проводимости таких жгутов, а ее изменение является результатом передачи заряда между донорами (акцепторами) электронов и нанотрубками.

Это указывает на ионну!а природу проводимости, поскольку в результате интсркалирования повышается концентрация носителей заряда в жгутах УНТ 12). Исследованиями на жгутах с диаметрами 0,1 мм и длиной 1... „3 мм установлено, что интеркалирование калием (15...30 мас, долей, %) многослойных УНТ резко снижает характерную для полупроводников проводимость (О -!и Т)«которая при этол! Остается возрастающей с увеличением температуры н при Т < 100 К к!О»гет О,!! быть описана зависимостью О - ~ ' '. Проводимость резко возрастает при Т = 100 К, а при дальнейшем увсличснин температуры начинает зависеть от времени, Снижение проводимости жгута связыва!от не со снижаю!ем проводимости отдельных УНТ, а с разупорядочением нх взаимного распалакения и ослаблением взаимосвязи. Увеличение проводимости интсркалированного калием »!гут«з УНТ пад влиянием магнитно~о паля ~о~азана на рнс. 12.

Отметим« что при Т= 1,8 К образцы УНТ, с измананием магнитного поля проявлявшие отрицательное с осцилляциями м!и нитное сопротивление, после интеркалирования демонстрировали его плавный спад (21 Описанньш результаты соответствуют данным об изменении свойств графита в результата перепаса электронов при интсркалировании. В частности, у интсркалированога кислотой Азрз графита при комнатной температуре проводимость выше, чем у меди, а доллровол!зе (легирование) его калием приводит к образованию сверхпроводящего интсркалянта С!К !4!, Измерения электрических характеристик планки из УНТ, ориентированных псрпендикуллрно и вдоль поверхности тефлоновой подложки, выполнены чстырехзондовым методом в интервале Т = = 0,03... 300 К.

Удельное сопротивление в направлении ориентации УНТ составило р„,. = ! 00... 8,0 Ом м. Х«арактср температурной зависимости сопротивления вдоль (р„„,) и перпендикулярно (р«„р) , аз ориентации УНТ имеет вид р — 1П ". Насыщение достигается при температуре ниже О,! К. Анизотропия сопротивления р„,,„lр „= 8 (2]. Она нс зависит ат тс«~!Нер«зтуры, так как «и!ело та !ск контакта 36 на единицу длины при продольном направлении УНТ, вероятна, меньше, чем прн паперечноы. Различную ориентацию УНТ получали поглаживанием тефлоновой лентой слоя нанотрубок, нанесенных на тефлановую подложку.

О Ой л5 Ч о г 4 е а )о )г )4 и )з ю Рнс. 12, Зависимости злсктралраваднастн ннтсркалнронанного калнси (! 5... 30 мас. долей, %) нлгутн УНТ диаметром О, ! ым и длиной ! ...3 ым от магнитного паля прн различных температурах (крнвыс сдвинуты на вертикали последова- тельна на 1О ' Ом >ш>лщая) В целом удельное сопротивление пленки из УНТ значительно больше, чем отдельных УНТ, и определяется преимущественно тачками контакта между ними. Падение сопротивления с ростом температуры указывает на усиление скачковага механизма переноса заряда, Длина скачка — ! О пм. При очень низкой температуре основной механизм проводимости — туннсл>лрова>лис с высотой барьера !О эВ, которас ограничивает сопротивление.

Верхне» оценка 19 л концентрации носителей заряда составляет 1,6 Н) см . что позволяет отнести пленку нз УНТ. как и графит, к палумсталлам )2( На роль адгезии материалов УНТ и такоподводов в обеспечении электрического контакта указывают данные по сопротивлению на контактах однослойных жгутов с Ап и Ал>Рг(, саставившеьлу несколько десятков килоом. Это сопоставимо с />/е = 25,8 кОы, чта указывает иа баллистическую природу проводимости. В контакте с алламинисы УНТ практически не проводит ток, а при контакте с кобальтом сопротивление достигает сотен килоом 18~. Сверхпроводимость в материале возникает при образовании куперовской пары с зарядом 2е и слабым взаимным пригн>кениеьг между двумя электронами с противапола>ллныыи спинаыи, Притяжение возникает при фоионном взаимодействии отрицательно зарюкенного электрона с положительными ионами кристаллической решетки, что приводит к смсщенила ионов из пола>кения равновесна и образованию вокруг электрона «облака» положительных зарядов, При температуре иижс критической„когда тепловая энергии материала в виде рассеяния малого количества фононов недостаточна для разрыва связей между электронами, эта позволяет электронам преодолеть взаимное электрическое отталкивание и, образовав пару, перенести заряд через кристаллическую решетку из положительных ионов, нс передав ей импульс н энергию.