Более полувека кремний символизирует интеллектуальную мощь человечества, облаченную во множество различных «железок» и проводов. Ученые твердят, что кремниевая технология имеет свой предел и по мощности нарастающих вычислений и по энергоемкости. Однако что сможет его заменить в будущем? Нанотрубки являются новым материалом, который, возможно, станет альтернативой кремнию при производстве элементов электроники.

Углеродные нанотрубки являются относительно молодым открытием. Наука имеет дело с ними с 1991 года. Однако за это время удалось их достаточно изучить, чтобы не удивляться уникальным свойствам. Известные распространенные формы углерода: графит и алмаз - дали собрату свои лучшие свойства, но усиленные в десятки и сотни раз. С одной стороны, это проводимость, превышающая проводимость меди и сорбционная способность лучшая, нежели у активированного угля, с другой – прочность сравнимая с прочностью лучших сортов стали.

Схематичесое изображение углеродной нанотрубки

Чтобы понять, как получаются нанотрубки с различными свойствами, можно представить лист бумаги с рисунком в форме пчелиных сот, и в каждом узле шестиугольника расположен атом углерода – так выглядит одна графитовая плоскость. Свернув лист в цилиндр, так, чтобы совпали атомы по его шву, можно заметить, что вариантов такого соединения множество, причем можно варьировать, как угол сворачивания листа, так и диаметр получаемого цилиндра. Таким образом, получаются нанотрубки с различными свойствами, причем, примерно треть вариантов будет приводить к нанотрубкам с металлической проводимостью, а оставшиеся две трети вариантов будут образовывать нанотрубки с полупроводниковыми свойствами – свойства, которые являются основой функционирования современных «интеллектуальных» приборов. Минимальный диаметр нанотрубок составляет одну миллиардную долю метра (нанометр), однако длина их может достигать долей миллиметра.

Благодаря таким уникальным свойствам ученые пытаются внедрить нанотрубки во все области хозяйственной деятельности человека, предлагая на первый взгляд, фантастические варианты. Провода линий электропередачи, практически без потерь передающие ток по нанотрубкам, бронежилеты облегченного варианта с возможностью светопреломления, что должно, в перспективе, привести к созданию костюма-невидимки. И самый амбициозный и чаще других упоминающийся в печати проект – лифт до луны, удерживаемый тросами, сплетенными из нанотрубок оцененый.

Уже воплощенные или находящиеся на стадии внедрения проекты связаны с использованием нанотрубок в композитных материалах повышенной прочности, а также в источниках излучения (плоских дисплеях).

Первое АСМ-изображение углеродной нанотрубки, полученной методом холодной деструкции графита

В России нанотрубки также уверенно занимают лидирующие позиции в приоритетных направлениях исследований ученых. Однако, предпочтение российские ученые отдают в основном исследованию сорбционных свойств нанотрубок, в том числе, изучая возможные механизмы использования их в качестве топливных ячеек для хранения водорода. Разработкой электронных приложений занимается ограниченное количество научных групп. 

В ЦКП НЭ занимаются исследованием «баллистического транспорта на основе квазиодномерных структур» более десяти лет: основное внимание сфокусировано на электрических характеристиках проводников с размерами в сечении порядка одного нанометра. Однако, модельными объектами ранее являлись различные органические молекулы и металлические сужения в тонких пленках. Так, еще в 1989 году наблюдалась квантовая природа проводимости наноразмерных органических проводников при комнатной температуре, тогда как ранее подобные измерения проводились только при температуре ниже –200ºС. 

Атомная структура углеродных нанотрубок (СТМ)

И вот, в 2001 году были начаты эксперименты с нанотрубками. Была найдена лаборатория в России, занимавшаяся исследованием в области получения углеродных нанотрубок. На данный момент группа сотрудничает с несколькими институтами Москвы и Московской области, в которых отработан процесс производства нанотрубок с различными характеристиками. Также идет налаживание и собственного производства.

Как было отмечено выше, основные разработки ведутся в направлении применения нанотрубок в элементах будущей электроники. Диоды, транзисторы, логические ключи – простейшие элементы, обеспечивающие разнообразие функциональных возможностей современных компьютеров. Были реализованы прототипы данных элементов на основе углеродных нанотрубок, полупроводникового типа, которые в аналогичных схемах заменили кремний. 

Транзистор на основе углеродной нанотрубке: а) – устройство; б) – семейство вольтамперных характеристик

Суть разработок заключается в том, что повышение быстродействия, а значит вычислительной мощности, и уменьшение энергопотребления (затрат на содержание современных компьютеров) связано с уменьшением размеров активных элементов транзисторов. Для этого разрабатываются новые производственные фабрики, стоимость которых превышает 1 млрд. долларов. Благодаря таким затратам, сейчас доступны вычислительные системы с характерным размером одного элемента 90 нм. Нанотрубки, как было отмечено, обладают размером, составляющим сотую часть данной величины. Созданные научной группой элементы, однако, вынуждены использовать современные российские технологии.

В ЦКП НЭ получены транзисторные «мутанты», имеющие ширину рабочего канала порядка 1 нм, однако электроды, обеспечивающие электрический контакт для проведения измерений, имеют размер, на три порядка больший. Такие элементы пока обладают низким коэффициентом передачи, однако, повысить его можно за счет уменьшения расстояния между электродами. Ширина самого канала, равная 1 нм не изменится – именно она определяет необходимые преимущества новых элементов.

Схематическое изображение нанотрубки, окруженной молекулами хлора

Проводимостью нанотрубок можно управлять не только используя внешнее электрическое поле (то есть в транзисторах). Очень сильно электрические характеристики нанотрубок зависят от окружающей их атмосферы – а это прямой путь к применению их в сенсорах различных химических веществ. При этом, решается проблема влияния объема в современных датчиках, в которых взаимодействие чувствительного материала с окружающей средой происходит через поверхность, тогда как весь объем практически не «чувствует» изменений. В традиционных сенсорах приходится разрабатывать методы по созданию тонких пленок, или увеличения пористости для повышения вклада поверхности в общие электрофизические характеристики. В отличие от большинства имеющихся сенсоров, объем нанотрубок одновременно является и поверхностью, поэтому присутствие нескольких молекул детектируемого газа может значительно изменить проводимость нанотрубки. Таким образом, возникает реальная возможность обнаружения минимального количества вещества, в том числе, и в атмосфере - своеобразный «нанонос». В ЦКП НЭ была продемонстрирована чувствительность датчиков к парам спиртов и малым концентрациям хлора в атмосфере. Работы продолжаются в направления селективности – распознавания одного или нескольких видов газов в общем фоне. Здесь можно пойти традиционным путем: покрывая нанотрубки селективными к определенному виду газов молекулами, либо использовать особенности нанотрубок. Почти все вещества для нанотрубок разделяются на доноры либо акцепторы, т.е. при соприкосновении с нанотрубкой они отдают, либо принимают ее электроны. Причем, для каждого характерен свой энергетический уровень, а это значит, что количество электронов отбираемых, например хлором, отличается от того количества, которое способен взять кислород. Другой путь – акустический. Для этого нанотрубку надо растянуть в висячем положении, закрепив только по краям. Так как нанотрубка имеет счетное количество атомов, то присутствие молекул, различающихся по массе веществ, может привести к сдвигу резонансного пика колебаний и нанотрубная струна будет «звучать» по-разному, в зависимости от присутствия на ней молекул того или иного вещества.

Однако, данные работы находятся в самом начале своего развития. Нанотрубки все еще продолжают удивлять ученых своими новыми интересными свойствами, что дает надежду на их применение в элементах будущей электронной техники.