Эффекты поляризации углеродных нанотрубок позволят использовать их в наногенераторах
Российские ученые выяснили, что возникновение поляризации и изменение проводимости нанотрубок в ответ на механические воздействия позволит использовать их как компоненты энергонезависимых запоминающих устройств. Ранее подобные свойства считались исключительно побочным эффектом, снижающим качество устройств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.
Углеродные нанотрубки представляют собой очень тонкие, до десятков нанометров в диаметре (в 1000 раз тоньше человеческого волоса), полые цилиндры, которые построены из атомов углерода, расположенных в форме сот. Сегодня они рассматриваются как перспективный материал для наноэлектронных элементов таких устройств, как транзисторы и сенсоры, но пока их применение довольно ограничено. Это связано с тем, что некоторые электрические свойства углеродных нанотрубок значительно изменяются при внешних механических или электромагнитных воздействиях. Такие эффекты приводят к отклонениям параметров приборов, в которых используются наноуглеродные материалы.
Ученые в лабораторных условиях вырастили экспериментальные образцы углеродных нанотрубок. С помощью просвечивающей электронной и зондовой микроскопии они охарактеризовали структуру и пьезоэлектрические свойства материала, которые заключаются в способности формировать электрический потенциал при деформации.
Анализ показал, что нанотрубки многослойны и имеют дефекты, внешне напоминающие поперечные кольца на стебле бамбука. Эти дефекты оказались причиной нарушения симметрии, что, в свою очередь, привело к возникновению поляризации и изменению проводимости материала. В результате нанотрубки демонстрировали аномально высокий пьезоэлектрический потенциал. Это позволяет использовать их в качестве материала для наногенераторов — устройств, которые преобразовывают механические деформации в электрическую энергию.
Кроме того, ученые, подавая внешние электрические импульсы на нанотрубки, проверили, как создаваемые ими поля влияют на проводимость — ключевую характеристику для транзисторов.
Оказалось, если импульсно подавать на нанотрубку внешнее электрическое поле, это приведет к дополнительной деформации и снижению способности образца проводить ток. Такой результат можно объяснить тем, что в результате деформации нанотрубки в ней формируется дополнительное внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Как следствие, суммарный проходящий через трубку ток оказывается равным нулю.
При этом следует отметить, что чем больше было подаваемое напряжение, тем большую деформацию и потерю проводимости проявляли нанотрубки.
«Описанные нами аномальные пьезоэлектрические свойства углеродных нанотрубок открывают широкие перспективы их использования для разработки элементов нанопьезотроники, таких как элементы памяти, сенсоры, наногенераторы. В то же время эти эффекты ограничивают их применение в качестве классического полупроводникового материала и металлического проводника в наноэлектронике. Проведенные исследования позволяют предположить, что управление дефектностью углеродных нанотрубок позволит расширить их использование во всех обозначенных направлениях наноэлектроники», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Марина Ильина, кандидат технических наук, доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники Южного федерального университета.