Электронные свойства и применение нанотрубок (340,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.483

Стр.484

Стр.485

Стр.486

Стр.487

Стр.488

Стр.489

П.Н. Дьячков ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА 4е издание, электронное И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТРУБОК Москва Лаборатория знаний 2020

Стр.2

УДК 621.3.049.77 ББК 22.379+24.5+24.7 Д93 С е р и я о с н о в а н а в 2006 г. Дьячков П. Н. Д93 Электронные свойства и применение нанотрубок / П. Н. Дьячков.—4-е изд., электрон.—М. : Лаборатория знаний, 2020.—491 с.—(Нанотехнологии).—Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана.—Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-842-1 Монография всеобъемлюще отражает самые последние сведения в области изучения и применения нанотрубок за последние двадцать лет. Приведена информация о методах их получения, структуре, электронных, оптических, механических, магнитных и эмиссионных свойствах. Описаны во многом удивительные изобретения, полученные с помощью этих новых материалов: одноэлектронный, полевой и квантовый нанотранзисторы, химические сенсоры, источники оптического и рентгеновского излучения, логические элементы, ячейки памяти и даже радиоприемник на одной-единственной углеродной нанотрубке. Значительное внимание уделено расчетам электронного строения нанотрубок с помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн. Один из разделов книги посвящен новому направлению в науке—наноэлектромагнетизму. Для научных сотрудников, аспирантов, студентов физико-химических и инженерных специальностей. Некоторые разделы вполне доступны для понимания даже старшеклассниками. УДК 621.3.049.77 ББК 22.379+24.5+24.7 Деривативное издание на основе печатного аналога: Электронные свойства и применение нанотрубок / П. Н. Дьячков.—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.—488 с. : ил.—(Нанотехнологии).—ISBN 978-5-9963-0154-6. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-842-1 ○c Лаборатория знаний, 2015

Стр.3

Оглавление Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Часть 1. Строение и свойства нанотрубок . . . . . . . . 10 1.1. Аллотропические формы углерода. . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.1. Гибридизация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2. Алмаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.3. Графит. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.4. Карбин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.5. Фуллерены. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.6. Нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2. Получение нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.1. Разрядно-дуговой метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.2. Метод химического осаждения из пара . . . . . . . . . 26 1.2.3. Метод лазерной абляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.2.4. Нанотрубки из спирта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.5. Диспергирование нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.2.6. Управляемый рост упорядоченных рядов углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.7. Длинные нити из нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.8. Самые тонкие нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.9. Кольца из нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2.10. Заточка многослойных нанотрубок . . . . . . . . . . . . 36 1.3. Металлы и полупроводники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3.1. Строение и электропроводность. . . . . . . . . . . . . . . 37 1.3.2. Минищели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.3.3. Электронные уровни в коротких нанотрубках — квантовых точках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 1.3.4. Квантовые провода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 1.3.5. Большой электронный орбитальный момент. . . . . . 49 1.3.6. Спин-орбитальное взаимодействие в нанотрубке . . . 51 1.3.7. Перенос электронного спина. . . . . . . . . . . . . . . . . 56 1.3.8. Эффект Ааронова–Бома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.3.9. Эффект Кондо и магнитные кластеры в нанотрубках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Стр.483

Оглавление 483 1.3.10. Индуцированная сверхпроводимость . . . . . . . . . . . 63 1.3.11. Собственная сверхпроводимость . . . . . . . . . . . . . . 63 1.3.12. Теплопроводность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.4. Нанотрубки для электроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 1.4.1. Диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.4.1.1. Выпрямление на изогнутой нанотрубке . . 66 1.4.1.2. Y- и Т-образное соединение нанотрубок . . 70 1.4.1.3. Выпрямление на межмолекулярном переносе электронов . . . . . . . . . . . . . . . . 72 1.4.1.4. Туннельный диод на легированной трубке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 1.4.2. Транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 1.4.2.1. Полевой транзистор . . . . . . . . . . . . . . . . 77 1.4.2.2. Транзистор на кольцевой нанотрубке . . . . 79 1.4.2.3. Модуляции потенциала в полевом транзисторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 1.4.2.4. Канальный транзистор . . . . . . . . . . . . . . 82 1.4.2.5. Одноэлектронный транзистор . . . . . . . . . 83 1.4.2.6. Транзистор на сверхпроводящем токе . . . . 86 1.4.2.7. Квантовая емкость . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 1.4.2.8. Метод конструктивного разрушения . . . . 94 1.4.2.9. Плазменное травление . . . . . . . . . . . . . . 95 1.4.2.10. Селективная адсорбция с упорядочением . . 97 1.4.2.11. Транзистор с электрохимическим затвором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 1.4.3. Интерференция Фабри–Перо . . . . . . . . . . . . . . . 100 1.4.4. Химические сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 1.4.4.1. Сенсор на полевом транзисторе . . . . . . . 102 1.4.4.2. pH-сенсор на одной молекуле. . . . . . . . . 104 1.4.5. Электронные логические элементы на нанотрубках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 1.4.5.1. Простейшие логические схемы. . . . . . . . 107 1.4.5.2. Инвертор на нанотрубке . . . . . . . . . . . . 108 1.4.5.3. Чипы с логическими элементами . . . . . . 112 1.4.6. Светодиод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 1.4.7. Память на нанотрубках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 1.4.7.1. Элемент на полевом транзисторе . . . . . . 125 1.4.7.2. Высокоскоростная память . . . . . . . . . . . 127 1.4.7.3. Оптоэлектронный элемент . . . . . . . . . . . 129

Стр.484

484 Оглавление 1.4.8. Электролюминесценция нанотрубок. . . . . . . . . . . 131 1.4.9. Нанотрубки, распознающие видимый свет . . . . . . 133 1.4.10. Интегральные схемы на гибкой подложке . . . . . . 135 1.4.11. Нанотрубки в эмиссионных приборах . . . . . . . . . 136 1.4.11.1. Индикаторы и плоские экраны . . . . . . . 136 1.4.11.2. Выпрямитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 1.4.11.3. Источник высокочастотного излучения . . 140 1.4.11.4. Электронный пучок для микроскопа. . . . 141 1.4.11.5. Эмиссионный ток, оптическое излучение и тепловыделение . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 1.4.11.6. Рентгеновское излучение. . . . . . . . . . . . 143 1.4.11.7. Ионизационный сенсор для газов . . . . . . 144 1.4.12. Ограничители мощности излучения. . . . . . . . . . . 146 1.4.13. Нанотрубки, взрывающиеся от фотовспышки . . . . 147 1.5. Механические и электромеханические эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 1.5.1. Сверхпрочность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 1.5.2. Деформация под действием поля. . . . . . . . . . . . . 150 1.5.3. Влияние механической нагрузки на электрические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 1.5.4. Настраиваемый электромеханический осциллятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 1.5.5. Электрохимический преобразователь электрической энергии в механическую . . . . . . . . 155 1.5.6. Наномеханические системы на многослойных нанотрубках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 1.5.6.1. Наноболты, наногайки, наноподшипники . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 1.5.6.2. Нанореле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 1.5.6.3. Нанорезисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 1.5.6.4. Электромеханический нанотермометр . . . 159 1.5.6.5. Наноактуатор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 1.5.6.6. Наноосциллятор на телескопической структуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 1.5.6.7. Наномотор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 1.5.7. Нановесы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 1.5.8. Нанопинцет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 1.5.9. Нанотрубки для атомных силовых микроскопов . . 166 1.5.10. Наносенсор для потока жидкости . . . . . . . . . . . . 170

Стр.485

Оглавление 485 1.5.11. Радио на нанотрубке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 1.5.12. Нановесы с атомным разрешением . . . . . . . . . . . 175 1.6. Адсорбционные свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 1.6.1. Хранение водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 1.6.2. Нанофильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 1.6.3. В борьбе с ядами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 1.7. Капиллярные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 1.8. Нанотрубки для композитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 1.8.1. Механические и тепловые свойства . . . . . . . . . . . 182 1.8.2. Композиты для твердотельных сенсоров. . . . . . . . 183 1.8.3. Промышленное производство композитов. . . . . . . 185 1.9. Создание высокого давления внутри нанотрубки . . 186 1.10. Термометр для нанообъектов . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 1.11. Бумага из нанотрубок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 1.11.1. Получение и структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 1.11.2. Необычный эффект Пуассона . . . . . . . . . . . . . . . 191 1.12. Громкоговоритель на тонкой пленке из нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 1.13. Нанотрубки и биомолекулы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1.13.1. Супрамолекулярные комплексы ДНК с нанотрубками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 1.13.2. Сортировка нанотрубок с помощью ДНК . . . . . . . 197 1.13.3. Нанотрубки с ДНК-рекогницией . . . . . . . . . . . . . 200 1.13.4. Транзистор на нанотрубке с кодирующей нитью ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 1.13.5. Сенсор на комплексе ДНК с нанотрубкой . . . . . . 204 1.13.6. Иммуно-нанотрубки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 1.13.7. Доставка противоопухолевых препаратов . . . . . . . 207 1.13.8. Распределение нанотрубок in vivo . . . . . . . . . . . . 208 1.13.9. Токсичность нанотрубок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Часть 2. Квантовая химия нанотрубок. . . . . . . . . . . 211 2.1. Введение в метод линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 2.1.1. Атомная теория Бора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Стр.486

486 Оглавление 2.1.2. Электронный гамильтониан и электронное строение атомов и молекул. . . . . . . . . . . . . . . . . 213 2.1.3. Молекулярные и атомные орбитали. . . . . . . . . . . 215 2.1.4. Секулярное уравнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 2.1.5. Атомный базис . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 2.2. Химическая связь в простейших молекулах . . . . . . 219 2.2.1. Орбитали двухатомных молекул . . . . . . . . . . . . . 219 2.2.2. Ē-Орбитали в ненасыщенных соединениях . . . . . . 222 2.3. Трансляционная симметрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 2.3.1. Симметрия полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 2.3.2. Симметрия графитового слоя . . . . . . . . . . . . . . . 230 2.4. Метод ЛКАО для полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 2.4.1. Цепочка из атомов водорода . . . . . . . . . . . . . . . . 232 2.4.2. Ē-Уровни карбина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 2.4.3. Ē-Зоны нанотрубок (n, n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 2.4.4. Ē-Зоны нанотрубок (n, 0) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 2.4.5. Ē-Зоны нанотрубок (n, m) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 2.4.6. Ē-Зоны нанотрубок с простыми аддендами . . . . . . 243 2.4.6.1. Нанотрубки F–(n, n) . . . . . . . . . . . . . . . 243 2.4.6.2. Нанотрубки F–(n, 0) . . . . . . . . . . . . . . . 246 2.5. Метод линеаризованных присоединенных цилиндрических волн (ЛПЦВ) в теории нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 2.5.1. Потенциал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 2.5.1.1. Цилиндрический маффин-тин-потенциал . . . . . . . . . . . . . 249 2.5.1.2. Кулоновское и обменное взаимодействие . . 252 2.5.2. Вывод уравнений метода ЛПЦВ . . . . . . . . . . . . . 252 2.5.2.1. Решение уравнения Шрёдингера для межсферной области . . . . . . . . . . . . 252 2.5.2.2. Решение уравнения Шрёдингера для области МТ-сфер. . . . . . . . . . . . . . . 258 2.5.2.3. Базисные функции . . . . . . . . . . . . . . . . 259 2.5.2.4. Интегралы перекрывания . . . . . . . . . . . 267 2.5.2.5. Матричные элементы гамильтониана . . . 271 2.5.2.6. Парциальные заряды . . . . . . . . . . . . . . 276 2.5.3. Практические аспекты метода. . . . . . . . . . . . . . . 279

Стр.487

Оглавление 487 2.6. Применения метода ЛПЦВ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 2.6.1. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 2.6.1.1. ĕ- и Ē-Зоны нанотрубок. . . . . . . . . . . . . 281 2.6.1.2. Энергии оптических переходов металлических нанотрубок . . . . . . . . . . 283 2.6.1.3. Энергии оптических переходов полупроводниковых нанотрубок. . . . . . . 287 2.6.1.4. Легирование азотом, бором, кислородом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 2.6.2. Цилиндрические наностержни . . . . . . . . . . . . . . 299 2.6.2.1. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 2.6.2.2. Одноатомные нанопровода . . . . . . . . . . . 303 2.6.3. Гетероатомные аналоги углеродных нанотрубок . . 312 2.6.3.1. Боразотные нанотрубки. . . . . . . . . . . . . 312 2.6.3.2. Нанотрубки из BC2N . . . . . . . . . . . . . . . 341 2.6.3.3. Нанотрубки из GaAs . . . . . . . . . . . . . . . 343 2.6.3.4. Нанотрубки из AlN. . . . . . . . . . . . . . . . 344 2.6.4. Нанотрубка в кристаллической матрице. . . . . . . . 344 2.6.4.1. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 2.6.4.2. Результаты расчета. . . . . . . . . . . . . . . . 352 2.6.5. Двустенные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 2.6.5.1. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 2.6.5.2. Результаты расчета. . . . . . . . . . . . . . . . 367 2.6.6. Одностенные хиральные нанотрубки . . . . . . . . . . 378 2.6.6.1. Метод расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 2.6.6.2. Результаты расчета. . . . . . . . . . . . . . . . 393 2.7. Метод функций Грина для точечных дефектов в нанотрубках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 2.7.1. Определения и общие свойства функции Грина. . . 404 2.7.2. Одноэлектронная функция Грина для массива МТ-сфер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 2.7.3. Структурная функция Грина для идеальной нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 2.7.4. Взаимосвязь между возмущенной и исходной системами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 2.7.5. Плотности состояний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 2.7.6. Точечные примеси B и N в карбине и нанотрубках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

Стр.488

488 Оглавление 2.8. Электродинамика нанотрубок. . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 2.8.1. Волновой импеданс и квант сопротивления . . . . . 423 2.8.2. Углеродная нанотрубка как линия передачи электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 2.8.2.1. Кинетическая индуктивность. . . . . . . . . 427 2.8.2.2. Электростатическая емкость . . . . . . . . . 427 2.8.2.3. Квантовая емкость . . . . . . . . . . . . . . . . 428 2.8.2.4. Сверхвысокочастотные интерконнекторы на углеродных нанотрубках. . . . . . . . . . 428 2.8.3. Наноантенны и микрорезонаторы на углеродных нанотрубках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 2.8.3.1. Дипольные антенны на одиночных нанотрубках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 2.8.3.2. Многоэлементные антенны на углеродных нанотрубках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 2.8.3.3. Углеродная нанотрубка как микрорезонатор . . . . . . . . . . . . . . . 438 2.8.4. Углеродные нанотрубки и квантовая оптика. . . . . 439 2.8.4.1. Эффект Парселла на нанотрубке. . . . . . . 440 2.8.4.2. Тепловое излучение углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 2.8.5. Углеродные нанотрубки и нелинейная оптика . . . 445 2.8.5.1. Генерация высших оптических гармоник. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 2.8.5.2. Генерация третьей гармоники . . . . . . . . 449 2.8.5.3. Генерация терагерцового электромагнитного излучения . . . . . . . . . 450 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

Стр.489