Информационные технологии, электроника

Совсем недавно была показана возможность конструирования полевых транзисторов на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Схематически такое устройство изображено на рис. 13.11. При приложении небольшого напряжения к затвору по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. При протекании тока элемент находится в состоянии ″включено″, а при отсутствии тока – в состоянии ″выключено″. Обнаружено, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 10⁶ раз, что сравнимо со значением проводимости для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения таких устройств будет очень маленьким, а тактовая частота переключения может составить 1-2 ТГц, что в 1000 раз быстрее современных процессоров. Сток и исток в таких устройствах формируются методами нанолитографии, диаметр соединяющей их нанотрубки составляет ~1 нм. Подобные малые размеры позволяют поместить на электронный чип большое количество переключателей. Пока полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок создаются в лабораторных условиях поштучно и для их использования в компьютерных чипах еще предстоит разработать недорогие способы массового производства.

Рис. 13.11. Устройство полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки

Другой активно развиваемой идеей является создание элементов компьютера из нанотрубок. Такой элемент представлял бы собой массив из параллельных нанотрубок на подложке (рис. 13.12). Над ними располагается другой массив нанотрубок, перпендикулярный первому массиву, причем точки переключения являлись бы переключателями – логическими элементами процессора.

Рис. 13.12. Схема логического элемента процессора на основе нанотрубок

Когда трубки не касаются друг друга, то переключатель разомкнут (логический сигнал 0), наоборот – замкнут (логический сигнал 1). Управление режимами переключения осуществляется токами, протекающими по нанотрубкам. По оценкам исследователей, на квадратном сантиметре подобной ИС можно расположить примерно 10⁸ таких логических элементов.

Топливные элементы

Углеродные нанотрубки могут быть использованы при изготовлении батареек. Литий, являющийся носителем заряда в батареях, легко помещается внутрь структуры нанотрубок. По оценкам, в нанотрубке легко помещается один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим перспективным применением нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при создании топливных элементов – источников электрической энергии. Схематически такой топливный элемент изображен на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Топливный элемент на основе нанотрубок

Топливный элемент состоит из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между электродами, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где происходит его ионизация. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и атомов кислорода и образуются молекулы воды. Такой системе необходим источник водорода. В качестве источника можно использовать углеродные нанотрубки, то есть накапливать ионы водорода внутри них. По предварительным оценкам при использовании нанотрубки в таком качестве она должна поглощать около 6,5% водорода по весу. Однако существующие технологии позволяют “помещать” в нанотрубку только 4% водорода по весу.

Химические сенсоры

Установлено, что полевой транзистор, созданный на основе полупроводящей хиральной нанотрубки, является очень чувствительным детектором различных газов.

Были проведены следующие исследования. Полевой транзистор помещался в сосуд емкостью 500 мл, к нему подводилось питание и продувался газ, содержащий от 2 до 200 молей NO₂ со скоростью 700 мл/мин. В результате при повышении концентрации NO₂ имело место как минимум 3-кратное повышение проводимости нанотрубки (рис. 13.14).

Рис. 13.14. Вольтамперная характеристика газового наносенсора

Обнаруженный эффект обусловлен тем, что при связывании NO₂ с нанотрубкой заряд переносится частично с нанотрубки на молекулы NO₂, увеличивая тем самым концентрацию дырок в зоне проводимости нанотрубки и, соответственно, ток через нее. Данный эффект может лечь в основу конструирования новых химических газовых сенсоров.

Катализ

Катализатор – вещество (обычно металл или сплав), изменяющее скорость протекания химической реакции, не участвуя в этой реакции.

Для некоторых химических реакций углеродные нанотрубки являются хорошими катализаторами. Например, было показано, что многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами Ru имеют сильный каталитический эффект на реакцию гидрогенизации коричневого альдегида (C₆H₅CH=CHCHO) в жидкой фазе по сравнению с влиянием того же рутения на другие углеродные соединения. Проводились химические реакции и внутри углеродных нанотрубок – например, восстановление оксида никеля NiO до металла, и AlCl₃ до чистого алюминия. Кроме того, например поток газообразного водорода Н₂ при Т = 475⁰С частично восстанавливает МоО₃ до МоО₂ с сопутствующим образованием паров воды внутри многослойных нанотрубок. Кристаллы сульфида кадмия CdS образуются внутри нанотрубок при реакции кристаллического оксида кадмия CdO с сероводородом (H₂S) при Т = 400⁰С.