Выяснен механизм разрушения нанотрубок при электрическом пробое
|
Исследователи из Массачусетского технологического института и Бостонского колледжа смогли воочию увидеть, как при пропускании сильного электрического тока лопаются многослойные углеродные нанотрубки. Оказалось, что этот процесс происходит слой за слоем, причем начинаться он может как с внутреннего, так и с наружного слоя.
Углеродные нанотрубки, открытые всего лишь 15 лет назад, уже давно считаются наиболее перспективным материалом для сверхминиатюрной электроники грядущих десятилетий (см. [1–5]). По этой причине сейчас в десятках лабораторий мира вдоль и поперек изучаются все мыслимые свойства нанотрубок. В силу своей структурной простоты, наиболее изученными остаются однослойные нанотрубки; исследование же более сложных многослойных нанотрубок-матрешек продвигается медленнее.
В частности, были мало изучены явления, сопровождающие электрический пробой в многослойной нанотрубке. Было известно, что, если приложить к ее торцам достаточно большое напряжение (порядка нескольких вольт), протекающий по нанотрубке ток становился настолько большим, что разрушал ее структуру. Однако долгое время было непонятно, как именно происходит это разрушение.
Впечатляющие экспериментальные результаты, опубликованные в статье J. Y. Huang et al., Physical Review Letters, 94, 236802 (14 June 2005) (статья доступна также на сайте одного из авторов, pdf, 2,2 Мб), проливают свет на этот вопрос. Исследователям из Массачусетского технологического института и Бостонского колледжа удалось провести уникальный эксперимент. Удерживая многослойную нанотрубку между двумя электродами, они измеряли ее электрические свойства (вольт-амперную характеристику) и одновременно непрерывно следили за ее «внешним видом» с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.
Время от времени экспериментаторы повышали приложенное напряжение до 3 вольт, намеренно превышая напряжение пробоя. Наблюдая в этот момент, что же происходит с многослойной нанотрубкой, они видели, что один из слоев как бы отшелушивается. Самое неожиданное заключалось в том, что это постепенное отшелушивание слоя за слоем могло начинаться как изнутри, так и снаружи. Более того, иногда нанотрубки вели себя совсем оригинально: поочередно отслаивался то внутренний, то внешний слой. Интересно, что во всех случаях процесс разрушения очередного слоя начинался примерно с середины трубки, а не с торцевых точек контактов с электродами. Именно в середине возникал тот дефект цилиндрической углеродной оболочки, который, разрастаясь, приводил с сбрасыванию наружного слоя или схлопыванию внутреннего.
Постоянный мониторинг вольт-амперной характеристики показал, что, вне зависимости от конкретной последовательности, потеря каждого слоя приводила к заметному падению электрической проводимости нанотрубки. Это доказывает, что в проводимости многослойной нанотрубки участвуют все, а не только самые внешние, ее слои.
Тот факт, что процесс разрушения начинался с середины трубки, означал, что именно там углеродная решетка наименее стабильна, т. е. наиболее расшатана. Это, в свою очередь, означает, что электрическая проводимость в нанотрубке вовсе не баллистическая, а диффузная: то есть электроны проводимости не летят по инерции сквозь всю нанотрубку, а диффундируют, постоянно рассеиваясь на атомах углерода. Это рассеяние приводит к сильному нагреву нанотрубки, а поскольку металлические электроды отводят тепло от ее торцов, то наибольшая температура (по оценкам авторов, 2000–3000 К) достигается именно в центре трубки. Она-то и расшатывает решетку, порождая дефекты и уничтожая слой за слоем.
См. также:
[1] Углеродные нанотрубки: их свойства и применение — популярная статья с сайта Научной лаборатории школьников, ссылки.
[2] Фуллерены и нанотрубки — отдельный раздел в экспресс-бюллетене ПерсТ.
[3] Замечательные качества углеродных нанотрубок — статья из журнала «Природа», № 5, 2004.
[4] Применение углеродных нанотрубок — список заметок на сайте Scientific.ru.
[5] Физические свойства углеродных нанотрубок (англ.) — основные свойства, ссылки.
Игорь Иванов
