Пьезорезистивные свойства углеродных нанотрубок

• Автор: Лебедева, Ольга Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 158 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Пьезорезистивный эффект в полупроводниках и наноструктурах

1.1 Эффект пьезосопротивления в полупроводниках и диэлектриках и его основные характеристики

1.2 Пьезорезистивные свойства углеродных наночастиц

ГЛАВА 2. Проявление пьезорезистивного эффекта в углеродных нанотрубках

2.1 Зонная структура ахиральных углеродных нанотрубок

2.2 Выбор модели углеродных нанотрубок

2.3 Влияние объемных деформаций расширения и сжатия на зонную структуру углеродных наночастиц

2.4 Методика расчета пьезорезистивных констант углеродных нанотрубок .

2.5 Пьезорезистивные свойства ахиральных углеродных нанотрубок

2.6 Влияние кулоновской корреляции электронов на тензор эластопроводи-мости ахиральных углеродных нанотрубок
2.7 Выводы
ГЛАВА 3. Влияние осевых деформаций и точечных дефектов на пьезопроводящие свойства углеродных нанотрубок
3.1 Энергетический спектр ахиральных углеродных нанотрубок, деформированных растяжением и сжатием
3.2 Влияние деформаций растяжения и сжатия на пьезопроводимость ахиральных углеродных нанотрубок
3.3 Модель электронного строения углеродных нанотрубок с донорными и акцепторными примесями
3.4 Деформационное изменение запрещенной щели примесных углеродных нанотрубок
3.5 Регулирование величины коэффициента пьезопроводимости донорными и
акцепторными примесями

3.6 Выводы
ГЛАВА 4. Пьезорезистивный эффект в хиральных углеродных нанотрубках
4.1 Электронное строение хиральных углеродных нанотрубок
4.2 Зонная структура деформированных хиральных углеродных нанотрубок
4.3 Пьезорезистивность хиральных углеродных нанотрубок
4.4 Влияние примесей на пьезопроводимость хиральных углеродных нанотрубок
4.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Приоритетным направлением государственной политики РФ в сфере инноваций является развитие нанотехнологий, которые стремительно проникают во все сферы жизни общества: от энергетики и медицины до машиностроения и сельского хозяйства; и должны стать одной из мощнейших отраслей экономики страны.
Понятие “нанотехнология” на современном этапе ее развития не имеет унифицированного определения, которое признавалось бы во всех областях научного знания. Этот термин появился еще 1974 г. на международной конференции в Токио, когда профессор Норио Танигучи выступил с докладом на тему: «Основные принципы нанотехнологии» [1].
В настоящее время «нанотехнология» - это междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами для создания новых наноструктур, устройств и материалов с другими физическими, химическими и биологическими свойствами [2 - 4]. Объектами изучения и дальнейших манипуляций в нанотехнологии выступают наноструктурные материалы с характерными для нанодиапазона размерами как минимум в одном измерении (наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), и макроскопические объекты (объемные материалы, отдельные элементы устройств и систем).
Наноструктурные материалы представляют собой кристаллы с составляющими их структурными ячейками, характерные размеры которых не превышают 100 нм (этот термин впервые введен международным журналом «NanoStructured Materials»). [5 - 7]
Теоретические и экспериментальные разработки, основой которых
служит процесс изучения и создания технологий манипуляций частицами
нанометрового размера с заранее определенными уникальными свойствами,
послужат базой для появления инженерных прикладных инновационных сис-

Теоретические расчеты электронной структуры УНТ типа «arm-chair» показывают, что их сопротивление возрастает с ростом угла изгиба. Деформация кручения вызывает появление запрещенной зоны в электронном спектре нанотрубки, ширина которой увеличивается пропорционально углу закручивания. Исследования влияние деформации кручения на ширину запрещенной зоны показывают, что она растет с увеличением угла закручивания [31].
В работе [80] УНТ, полученная электроразрядным методом, прикреплялась к тонкой золотой нити, на которую подавался электрический потенциал. Контрэлектрод располагался на расстоянии 5-20 мкм от конца нанотрубки и ориентировался под некоторым углом к ней. Когда на нанотрубку подавалось внешнее управляющее напряжение, она деформировалась, притягиваясь к контр-электроду и изгибалась. Устройство демонстрирует способность УНТ преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно. Пьезорезистивность УНТ открывает новые перспективы для разработки на их основе преобразователей механической энергии в электромагнитный сигнал.
Методика, описанная в [80], использовалась авторами для измерения модуля Юнга многослойных УНТ различного диаметра. Резонансная частота колебаний УНТ зависит от квадратного корня из модуля Юнга. Значение Модуля Юнга в зависимости от диаметра лежит в диапазоне от примерно от 1 до 0.1 ТПа при увеличении диаметра нанотрубки от 8 до 40 нм соответственно.
Изменение энергетической щели деформированных полупроводниковых углеродных нанотрубок приводит к эффекту пьезосопротивления, теоретически исследованному в работе [81], результаты которой находятся в согласии с экспериментальными данными, полученными для основных характеристик этого эффекта в пленках УНТ [82]. В этой работе экспериментально измерен калибровочный фактор, значение которого при 500 микронапряжениях уменьшается с ростом температуры до 30°С, но увеличивается при температуре выше 30°С. Калибровочный фактор при 70°С почти в полтора раза больше, чем при 19°С и 500 микронапряжениях и равен 1.4, если изменение сопротивления в результате деформаций предполагается только при модификации геометрических параметров, а не из-за изменений