28_Углеродные элементы и устройства (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)

9

Углеродные элементы и устройства.

Модификации углерода.

Состояние внешнего электронного слоя атома ( 2s, 2p ): нормальное ( газ С О)

возбужденное (8 - N ) алмаз

С+, графит

Рис. Полиморфические модификации углерода.

С - алмаз с n=4 кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке. При этом одна половина атомов располагается в вершине и центре граней одного куба, а другая - в вершинах и гранях другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали (решетка с базисом). Алмаз обладает более плотной упаковкой и существенно бoльшей энергией связи. Искусственный алмаз был впервые получен в 1955 году из графита при температуре 3000° С и давлении 10¹⁰ Па. При температуре 500 °С и нормальном давлении алмаз превращается в графит.

Модификации углерода с координационным числом n=2 долго не могли найти в природе. Синтетически получено вещество, состоящее из линейных цепных полимеров с полииновыми связями ...- С º С - С º С - С º С -... (карбин), с кумулированными связями...С = С = С = С =... (кумулен). Углеродные волокна получают термической обработкой полимерных волокон в среде благородных газов. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами: под действием света проводимость существенно увеличивается. Структура карбина предопределяет создание волокон, обладающих высокой прочностью. Они используются для армирования сверхпрочных материалов, например, для бронежилетов конструкционных элементов самолетов, ракет, ракетных двигателей, костюмов, обогреваемых электричеством.

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами.

Рис. Диаграмма состояния углерода:

алмаз (1), карбин (2), жидкость (3), графит (4), пар (5).

Графен.

В образовании кристаллической структуры углерода на основе ковалентной связи участвуют три электрона: n=3 . Образуются плоскости из 6-гранников с длиною связи ro₁ = 0.142 нм. Такая плоскость получила название графена. В узлах плоскости располагаются катионы. 4-ые электроны группируются вблизи катионной плоскости. Расстояние между катионами при ковалентной связи меньше, чем при металлической или ионной связи. Плотность заряда графена большая. Высока подвижность электронов.

Существенное изменение параметров наблюдается на краях однородной плоскости, поскольку там нарушаются благоприятные условия однородной структуры. Увеличивается химическая активность атомов углерода. Наблюдаются эффекты переотражения, увеличивающие сопротивление.

Температурные колебания узлов кристаллической решетки и ее дефекты (особенно вакансии) вызывают отражение или рассеяние электронов, что эквивалентно появлению электрического сопротивления. Нарушения правильности структуры подложки вызывают возникновение горбов и впадин на листе графена. Тем не менее, даже при комнатной температуре графен держит рекорд по подвижности.

Рис. Структура графена: идеальная и с температурными искажениями.

Тонкие графеновые полосы: менее десяти нанометров в ширину, длиной несколько микрон, - могут использоваться для транзисторов. Соотношение проводимости закрытого и открытого состояния транзисторов более чем 100000/1.

(а) (б) (в)

Рис. Изображение (а) и структура (б) графеновой полоски.

Изображение (в) графенового транзистора.

Графен прозрачен для света из-за малой толщины, поэтому может применяться в устройствах с прозрачными электродами, например, дисплеях, сенсорных экранах и солнечных батареях. Сейчас в таких устройствах применяется оксид индия и олова, однако графен будет более дешев и  гибок, надеются исследователи в сфере нанотехнологий.  Графен также позволяет увеличить плотность заряда в накопителях, поскольку изготовленные из графена электроды имеют очень высокую площадь поверхности при низкой массе.

При повышении температуры подвижность падает: складки и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Высокая подвижность электронов обусловливает высокую теплопроводность.

Углеродные нанотрубки.

УНТ не только прочны (ковалентная связь), но и гибки.

Рис. Деформирующие свойства многослойной стенки углеродной трубки.

Не содержащая дефектов одностенная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в виде цилиндра ленту графена. В общем случае нанотрубки обладают винтовой осью симметрии (тогда говорят, что они хиральны). Нехиральными оказываются нанотрубки, в которых углеродные шестиугольники ориентированы параллельно и перпендикулярно оси цилиндра соответственно. Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников и даже диэлектриков.
 

Рис. Построение модели нанотрубки: а) графеновый слой и условное сворачивание ленты в нанотрубку; б) координаты углеродной нанотрубки.

Рис. Изображение (a) и схема (b) конденсатора на УНТ.

Свободные концы обкладок конденсатора можно использовать для создания варактора.

Рис. Пример полосового фильтра на основе варактора.

Диод. Если углеродный шестиугольник заменить, например, на пятиугольник, семиугольник или на два таких дефекта, нанотрубка изогнется. Дефект изгиба нанотрубки в месте стыковки 7-угольника и 5-угольника вызывает изменение энергии и подвижности электронов. В частности, для приведенного на рис.  случая, слева относительно изгиба нанотрубка должна быть металлической, а справа - полупроводниковой. Таким образом, эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

Рис.  Влияние дефекта семиугольник-пятиугольник на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов (б).

“Одностороннее” прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода.

Рис.  Выпрямляющий диод на изогнутой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами (а); вольт-амперная характеристика для такой системы (б).

Транзистор. Для полевого транзистора используется полупроводниковая нанотрубка в контакте с тонкими проводниками на кварцевой подложке. Затвором является кремниевый слой под кварцем. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает.

Рис.  Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой (а); зависимость проводимости в цепи от потенциала затвора (б).

Нанотранзисторы получают также из углеродных нанотрубок Y – типа, похожих на ветку дерева. Эти структуры фактически являются транзисторами с высоким быстродействием, не требующими дополнительных доработок (формирования проводящих и диэлектрических слоёв, электродов). При подаче отрицательного напряжения на корень нанотрубки протекание электронов между ветвями прекращается, а при подаче положительного напряжения протекание электронного тока возобновляется, то есть также как в транзисторных ключах.