Углеродные нанотрубки

Структура и классификация углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндрические наноструктуры, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку листов графена. Их диаметр варьируется от 0,4–1 нм для однослойных нанотрубок (SWCNT) до десятков нанометров для многостенных (MWCNT), а длина может достигать нескольких миллиметров.

Типы нанотрубок

  1. Однослойные (SWCNT) — состоят из одного слоя графена, свернутого в цилиндр. Их электронные свойства определяются вектором свертки, задаваемым хиральными индексами (n, m).
  2. Многостенные (MWCNT) — включают несколько концентрически вложенных однослойных трубок, разделённых межслойным расстоянием около 0,34 нм.
  3. Двойные (DWCNT) — промежуточный вариант между однослойными и многостенными, обладающий улучшенной механической устойчивостью при сохранении высокой электропроводности.

Хиральность и электронная структура

Параметры (n, m) определяют геометрию свертки графенового листа и, как следствие, его электронные свойства.

  • При условии (n − m) / 3 ∈ ℤ нанотрубка ведет себя как металл.
  • В остальных случаях она проявляет полупроводниковые свойства.

Существует три характерных типа:

  • Зигзагообразные (zigzag) — (n, 0).
  • Креслообразные (armchair) — (n, n), всегда металлические.
  • Хиральные — (n, m) с произвольными значениями, обладают вращательной симметрией и могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми.

Механические свойства

УНТ обладают исключительно высокими механическими характеристиками благодаря sp²-гибридизации углеродных атомов:

  • Модуль Юнга — порядка 1 ТПа.
  • Прочность на растяжение — до 100 ГПа.
  • Малый вес — плотность около 1,3–1,4 г/см³, что значительно ниже, чем у стали при в десятки раз большей прочности.

Благодаря способности выдерживать огромные деформации без разрушения, УНТ рассматриваются как идеальные армирующие материалы для композитов.

Электрические свойства

В однослойных нанотрубках носители заряда могут перемещаться баллистически на длинах до нескольких микрометров, что обеспечивает сверхвысокую проводимость при комнатной температуре. Электронная плотность состояний определяется зонной структурой, а ширина запрещенной зоны для полупроводниковых УНТ обратно пропорциональна их диаметру.

Многостенные нанотрубки обладают более сложным механизмом проводимости: межслойное взаимодействие приводит к появлению дополнительных каналов для транспорта электронов.

Теплопроводность

УНТ демонстрируют аномально высокую теплопроводность — до 3500–6000 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Это объясняется сильной связью атомов углерода и эффективным переносом энергии фононами. При этом теплопроводность значительно падает в поперечном направлении из-за ограниченного межслойного взаимодействия.

Методы получения

Существует несколько основных методов синтеза:

  1. Дуговой разряд — высокотемпературный метод получения качественных УНТ с малым количеством дефектов.
  2. Лазерная абляция — позволяет контролировать диаметр трубок, но требует дорогостоящего оборудования.
  3. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — наиболее распространенный и масштабируемый метод, обеспечивающий получение длинных и упорядоченных УНТ.

Выбор катализатора (Fe, Co, Ni) и параметров осаждения позволяет управлять хиральностью и диаметром нанотрубок.

Дефекты и модификация свойств

Дефекты, такие как вакансии, примесные атомы, изгибы и топологические перестройки (пяти- и семиугольные кольца), существенно влияют на механические и электронные свойства. Контролируемое введение дефектов может использоваться для настройки проводимости, реакционной способности и химической функционализации УНТ.

Применения в физике конденсированного состояния

  • Нанопроводники — создание элементов наноэлектроники с высокой плотностью тока.
  • Полевые транзисторы — использование полупроводниковых УНТ в качестве канала с высокой подвижностью носителей.
  • Композиты — армирование полимерных и металлических матриц, придающее им уникальное сочетание прочности и легкости.
  • Теплоотводы — благодаря высокой теплопроводности УНТ применяются для эффективного охлаждения микро- и наноэлектронных устройств.
  • Сенсоры — высокая чувствительность к адсорбции молекул делает возможным создание газовых и биосенсоров.
Оглавление