Свойства углеродных нанотрубок

1. Капиллярные эффекты

Чтобы наблюдать капиллярные эффекты, необходимо открыть нанотрубки, то есть удалить верхнюю часть - крышечки. К счастью, эта операция достаточно проста.

Первые исследования капиллярных явлений показали, что имеется связь между величиной поверхностного натяжения жидкости и возможностью ее втягивания внутрь канала нанотрубки. Оказалось, что жидкость проникает внутрь канала нанотрубки, если ее поверхностное натяжение не выше 200 мН/м. Поэтому для ввода каких-либо веществ внутрь нанотрубок используют растворители, имеющие низкое поверхностное натяжение. Так, например, для ввода в канал нанотрубки некоторых металлов используют концентрированную азотную кислоту, поверхностное натяжение которой невелико (43 мН/м). Затем проводят отжиг при 400°С в течение 4 ч в атмосфере водорода, что приводит к восстановлению металла. Таким образом были получены нанотрубки, содержащие никель, кобальт и железо.

Наряду с металлами углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами, например водородом в молекулярном виде. Эта способность имеет большое практическое значение, ибо открывает возможность безопасного хранения водорода, который можно использовать в качестве экологически чистого топлива в двигателях внутреннего сгорания.

2. Удельное электрическое сопротивление углеродных нанотрубок

Рис. 5. Схема измерения электрического сопротивления индивидуальной нанотрубки четырех-зондовым методом: 1 - подложка из оксида кремния, 2 - золотые контактные площадки, 3 - вольфрамовые проводящие дорожки, 4 - углеродная нанотрубка

Вследствие малых размеров углеродных нанотрубок только в 1996 году удалось непосредственно измерить их удельное электрическое сопротивление ρ четырехконтактным способом. Чтобы оценить экспериментальное мастерство, потребовавшееся для этого, дадим краткое описание этого способа. На полированную поверхность оксида кремния в вакууме наносили золотые полоски. В промежуток между ними напыляли нанотрубки длиной 2 - 3 мкм. Затем на одну из выбранных для измерения нанотрубок наносили четыре вольфрамовых проводника толщиной 80 нм, расположение которых показано на рис. 5. Каждый из вольфрамовых проводников имел контакт с одной из золотых полосок. Расстояние между контактами на нанотрубке составляло от 0,3 до 1 мкм. Результаты прямого измерения показали, что удельное сопротивление нанотрубок может изменяться в значительных пределах - от 5,1?10^-6 до 0,8 Ом/см. Минимальное значение ρ на порядок ниже, чем у графита. Большая часть нанотрубок обладает металлической проводимостью, а меньшая проявляет свойства полупроводника с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 0,3 эВ.

3. Эмиссионные свойства нанотрубок углерода

Результаты изучения автоэмиссионных свойств материала, где нанотрубки были ориентированы перпендикулярно подложке, оказались весьма интересными для практического использования. Достигнутые значения плотности тока эмиссии составляют порядка 0,5 мА/мм². Полученная величина находится в хорошем согласии с выражением Фаулера - Нордгейма

,

где C и k - константы, φ - работа выхода электронов, E* - напряженность электрического поля в местах выхода электронов (для исследуемого мате­риала это вершины нанотрубок).

Высокие значения тока эмиссии были получены, когда однослойные нанотрубки диаметром 0,8 - 1 нм скручивали в жгуты диаметром 10—30 нм (в процессе роста) и наносили на кремниевую подложку. В качестве анода использовали молибденовый стержень, отстоящий от поверхности пленки на расстоянии 15 мкм. Автоэлектронная эмиссия наблюдалась при напряженности электрического поля E*, равной 1,6^.10⁴ В/см. Оценки, сделанные по выражению Фаулера - Нордгейма, показали, что работа выхода электронов из нанотрубок в этом случае равна 1 эВ. Полученные данные позволяют рассматривать углеродные нанотрубки как лучший материал для автоэмиссионных катодов.