П.Н. Дьячков ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТРУБОК П.Н. <...> Дьячков ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТРУБОК 3-е издание (электронное) Москва БИНОМ. <...> Значительное внимание уделено расчетам электронного строения нанотрубок с помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн. <...> Альфред Реньи В последние годы углеродные нанотрубки стали одной из главных знаменитостей в мире материаловедения [1]. <...> Углеродные нанотрубки были открыты при исследовании продуктов, образующихся при разряде вольтовой дуги в атмосфере гелия. <...> Необычные электрические свойства нанотрубок делают их одним из основных материалов наноэлектроники. <...> Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе нанотрубок: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, можно изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков. <...> Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца испускаются электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают его свечение. <...> Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. <...> Такие результаты—квантовомеханические расчеты электронного строения нанотрубок с помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн — в полной мере отражены во второй части, где подразумевается знакомство читателя с нерелятивистской квантовой теорией (впрочем, необходимые минимальные сведения из этой теории в ней приведены). <...> Наконец, считаю особенно приятным долгом поблагодарить моего учителя, заведующего лабораторией квантовой химии ИОНХ РАН профессора А. А. Левина, который, начиная с семидесятых годов прошлого века, стимулировал наш интерес к проблемам, лежащим на стыке теории твердых тел и молекул, и, в частности, обратил наше внимание на твердотельный метод присоединенных плоских волн как возможную отправную точку для исследования электронного строения молекул. <...>
Электронные_свойства_и применение_нанотрубок.pdf
П.Н. Дьячков
ЭЛЕКТРОННЫЕ
СВОЙСТВА
4е 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