17.5 Применения углеродных нанотрубок

Необычные свойства углеродных нанотрубок допускают множество возможных применений: от электродов батареек до электронных устройств и армирующих волокон для получения более прочных композитов. В этом разделе будут описа­ны некоторые потенциальные применения, над которыми уже ведется работа. Однако для реализации этого потенциала необходимо разработать технологию крупномасштабного производства однослойных нанотрубок. Существующие ме­тоды синтеза обеспечивают лишь небольшой выход конечного продукта, стои­мость которого на сегодня составляет около 1 500$ за грамм (680 000$ за фунт). С другой стороны, разработаны основанные на химическом осаждении методы крупномасштабного производства многослойных нанотрубок стоимостью 60$ за фунт, причем при увеличении спроса ожидается дальнейшее существенное паде­ние этой цифры. Методы, используемые для увеличения масштабов производст­ва многослойных нанотрубок, должны лечь в основу широкомасштабного произ­водства и однослойных нанотрубок. Можно надеяться, что из-за их громадного потенциала использования будут разработаны технологию крупнотоннажного синтеза, что приведет к падению цен до цифр порядка 10$ за фунт.

17.5.1 Полевая эмиссия и экранирование

При приложении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит очень интенсивная эмиссия электронов. Подобные явления называют полевой эмиссией. Этот эффект легко наблюдать, прикладывая не­большое напряжение между двумя параллельными металлическими электрода­ми, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок. Достаточное количество трубок окажутся перпендикулярными электроду, что позволяет на­блюдать полевую эмиссию. Одно из применений этого эффекта состоит в усо­вершенствовании плоских панельных дисплеев. Мониторы телевизоров и ком­пьютеров используют управляемую электронную пушку для облучения люми­несцентного экрана, испускающего свет требуемых цветов. Корейская корпорация Samsung разрабатывает плоский дисплей, использующий электрон­ную эмиссию углеродных нанотрубок. Тонкая пленка нанотрубок помещается на слой с управляющей электроникой и покрывается сверху стеклянной пластиной, покрытой слоем люминофора. Одна японская компания использует эффект эле­ктронной эмиссии в осветительных вакуумных лампах, таких же ярких, как и обычные лампы накаливания, но более эффективных и долговечных. Другие исследователи используют эффект при разработке новых способов генерации микроволнового излучения.

Высокая электрическая проводимость углеродных нанотрубок означает, что они будут плохо пропускать электромагнитные волны. Композитный пластик с нанотрубками может оказаться легким материалом, экранирующим электро­магнитное излучение. Это очень важный вопрос для военных, развивающих идеи цифрового представления поля боя в системах управления, контроля и свя­зи. Компьютеры и электронные устройства, являющиеся частями такой систе­мы, должны быть защищены от оружия, генерирующего электромагнитные им­пульсы.

17.5.2 Компьютеры

Недавно была показана возможность конструирования полевых транзисторов, являющихся переключающими элементами в компьютере, на основе полупро­водниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Схе­матически такое устройство показано на рис. 17.20. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. Если ток течет, элемент находится в состоя­нии «включено», и в состоянии «выключено» — в противном случае. Обнаруже­но, что небольшое напряжение на затворе может изменить проводимость нанотрубки более чем в 10⁶ раз, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого устройства будет очень маленьким, а возможная тактовая частота оценочно может составить Терагерц, что в 1000 раз быстрее существующих процессоров.

Рис. 17.20. Схема полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки.

Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии, а диаметр соединяющей их нанотрубки составляет порядка одного нанометра. Такие малые размеры позволят в перспективе помес­тить на чип большее количество переключателей. Следует особо отметить, что пока такие устройства делаются в ла­бораторных условиях поштучно, а для использования в приложениях, таких как компьютерные чипы, еще предсто­ит разработать недорогие способы массового создания подобных элемен­тов на чипе.

Основной целью разработчиков компьютерной техники является уве­личение количества переключателей на чипе. Подход к этой проблеме за­ключается в использовании переклю­чателей меньшего размера, более тонких соединяющих их проводников на чипе. Однако при использовании существующих переключателей и со­единяющих их металлических прово­дов на этом пути возникают некоторые трудности. При уменьшении попереч­ного сечения металлического, напри­мер, медного проводника увеличивает­ся его сопротивление, а, следователь­но, и выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может достигать та­ких значений, при которых возникает опасность плавления или испарения. Однако углеродные на нотрубки диаметром 2 нм имеют чрез­вычайно низкое сопротивление, чтопозволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это дела­ет их пригодными в качестве соединительных проводов. Очень высокая тепло­проводность нанотрубок означает, что их можно использовать и в качестве тепло-отводов, позволяющих быстро уносить с чипа избыточное тепло.

Другой активно развиваемой идеей является создание компьютера из нанот­рубок. Компьютер был бы массивом параллельных нанотрубок на подложке. Над ними с небольшим промежутком располагался бы массив нанотрубок, пер­пендикулярных нижним. Каждая трубка соединялась бы с металлическим элект­родом. Эта идея схематически проиллюстрирована на рис. 17.21. Точки пересече­ния являлись бы переключателями компьютера. Когда трубки не касаются в точ­ке пересечения, переключатель выключен, так как сопротивление между ними велико. Во включенном состоянии трубки касаются друг друга, а сопротивление соединения мало. Управление состоянием включено/выключено может осуще­ствляться токами, текущими по трубкам. По оценкам исследователей на квадрат­ном сантиметре чипа можно разместить 10¹² таких элементов. На современных процессорах Пентиум расположено около 10⁸ переключателей. Скорость пере­ключения таких устройств оценочно должна быть в 100 раз выше, чем на нынеш­нем поколении интеловских чипов. В идеале хотелось бы иметь полупроводящую трубку внизу и металлическую наверху, тогда при контакте образуется переход ме­талл-полупроводник, пропускающий ток только в одном направлении. Такой пе­реход был бы выпрямителем.

Рис. 17.21 Схема компьютера из нанот­рубок.