Фуллерен — молекула, состоящая из атомов углерода, расположенных в вершинах правильных шести- и пятиугольников (рис. 1), образующих каркасную формув виде замкнутой полой сферической или эллипсоидной оболочки. . Молекулы фуллеренов могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. атомов углерода. Самый известный из фуллеренов — это так называемый фуллерен C60. Этот фуллерен, обладает максимальной стабильностью. Атомы углерода в нем располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников; каждый шестиугольник имеет три общие стороны с другими шестиугольниками и три общие стороны с пятиугольниками, то есть все пятиугольники граничат только с шестиугольниками.
Рис. 1.  
Углеродная нанотрубка — цилиндрическая молекула, состоящая из атомов углерода, имеющая форму цилиндра диаметром около 1 нм и длину от одного до сотен мкм (рис. 2) Внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Цилиндр оканчивается молекулой фуллерена.Впервые обнаружена Сумио Ииджимой (корпорация NEC) в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена С60.
Рис. 2.  
Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Последние представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую. Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые (ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки.
Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Получают нанотрубки путем термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Изготовление нанотрубок обходится дорого — один грамм стоит несколько сотен долларов США.
На основе нанотрубок создаются новые сверхпрочные и сверхлегкие композиционные материалы. Нанотрубки используются в качестве иглы для сканирующего туннельного и атомного силового микроскопа, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Разрабатываются технологии применения нанотрубок в биомедицине и криминалистике.
Нанотрубки находят все большее применение в микроэлектронике, они используются для создания диодов и полевых транзисторов.
Например, изогнутая нанотрубка по свойствам проводимости адекватна диоду. Дело в том, что для изгиба нанотрубки в нее нужно внедрить дефектный элемент (например, заменить один из шестиугольников на пятиугольник). В результате степень скрученности нанотрубки с разных относительно изгиба сторон оказывается различной, что приводит к разному типу проводимости. С одной стороны относительно изгиба может быть металлическая проводимость, а с другой — полупроводниковая. В этом случае такая нанотрубка с изломом будет представлять собой структуру типа "металл—полупроводник" с односторонней (как и у диода) проводимостью.
В полевых транзисторах роль канала выполняет нанотрубка. В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком. Зона проводимости в данном случае отделена от валентной зоны запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт. Однако при помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается. В этих условиях нанокарбоновая трубка становится проводником. Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором, которым, как уже отмечалось, является кремниевая подложка. При потенциале затвора порядка 6 В концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума, и нанотрубка становится хорошим проводником. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запирать транзистор.
Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.
Другое применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory).
В NRAM на кремниевую подложку наносится тонкая изолирующая пленка оксида кремния, вдоль которой размещены токопроводящие электроды шириной в 130 нм, отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электродами перпендикулярно к ним расположены массивы нанотрубок, которые замыкаются с обеих сторон на проводящие контакты. В обычном состоянии (состояние OFF) нанотрубки не касаются электродов и находятся над ними на высоте порядка 13 нм. Если к нижнему электроду приложить напряжение, то нанотрубка под воздействием электрического поля начнет выгибаться и коснется нижнего электрода. Однако такое состояние (состояние ON) оказывается устойчивым за счет баланса между возникающим механическим напряжением и Ван-дер-Ваальсовыми силами. В результате даже после исчезновения напряжения форма нанотрубки не изменится. Таким образом, меняя напряжение на электроде, можно переходить между двумя стабильными механическими состояниями нанотрубок, в одном из которых имеется контакт с электродом, а в другом — нет. Одно из этих состояний будет отвечать логическому нулю, а другое — логической единице.
Для того чтобы прочитать содержимое элементарной ячейки памяти, между нижним электродом и контактом, к которому подсоединены нанотрубки, отвечающие выбранной ячейке памяти, подается напряжение. Если ячейка памяти находится в состоянии OFF, при котором нет физического контакта между электродом и нанотрубкой, то электрическая цепь оказывается разомкнутой и напряжение будет высоким, что соответствует логической единице. Если же ячейка памяти находится в состоянии ON, то есть имеется контакт между нанотрубкой и нижним электродом, то цепь замыкается и напряжение будет низким, что соответствует логическому нулю.
В сравнении с традиционными типами памяти, память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это RAM-память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании Nantero, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд. бит на квадратный сантиметр (в несколько раз больше, чем в сегодняшних микросхемах памяти), а частота работы памяти — до 2 ГГц.
Список литературы
1. С. Пахомов. Будущее за нанотрубками. - http://www.compress.ru/Archive/CP/2005/1/19/