به نام خدا
خواص الکتریکییکی از خصوصیات جالب نانولوله های کربنی این است که فلز یا نیمه رسانا بودن آنها به قطر و میزان کایرالیته لوله، بستگی دارد. کایرالیته به چگونگی پیچش ورقه گرافیت حول محور آن در صفحه گرافیت بستگی دارد. نانولوله های تولید شده معمولا شامل مخلوطی است که دوسوم آن نیمه رسانا و یک سوم دیگر فلزی است. نانولوله های فلزی ساختار آرمچیر دارند که در شکل 1(الف) نشان داده شده است.
شکل 2 مقدار گاف انرژی نانولوله های کایرال نیمه رسانا را بر حسب قطر لوله نشان می دهد. همانطور که دیده می شود، با افزایش قطر لوله مقدار گاف انرژی کاهش می یابد. جهت مطالعه ساختار نانولوله های کربنی از میکروسکوپ تونلی روبشی استفاده شده است. در این اندازه گیری موقعیت پروب میکروسکوپ تونلی روبشی در بالای نانولوله ثابت نگه داشته شده، ولتاژ بین پروب و نمونه تغییر می کند و جریان تونل زنی، ثبت می گردد. رسانایی اندازه گیری شده برابر با مقدار دقیق چگالی حالت های الکترونی موضعی می باشد. چگالی حالت ها نشان دهنده میزان نزدیکی ترازهای انرژی به یکدیگر می باشد. شکل 3 اطلاعات بدست آمده از میکروسکوپ تونلی روبشی را نشان می دهد. در این نمودار محور عمودی تفاضل هدایت و محور افقی ولتاژ اعمالی بین نوک ابزار و نانولوله است. اختلاف پتانسیل هایی که در آن جریان بسیار کمی از ماده عبور می کند مربوط به گاف انرژی ماده است بطوریکه پهنای ولتاژ این ناحیه معادل با گاف انرژی است. اندازه گاف برای ماده نیمه رسانای نشان داده شده در پایین شکل 3 برابر با 7/0 الکترون ولت است.
شکل 2 - اندازه گاف انرژی یک نانولوله نیمه رسانای کایرال بر حسب معکوس قطر لوله.
شکل 3 - نمودار تفاضل هدایت که توسط جریان تونل زنی بوسیله STM در نانولوله های فلزی (شکل راست) و نانولوله های نیمه رسانا (شکل چپ) اندازه گیری شده است.
در انرژی های بالاتر قله های تیزی در نمودار چگالی حالت ها مشاهده می شود که به آنها تکینگی های ون هووه می گویند. تکینگی های ون هووه مشخصه مواد رسانای کم بعد می باشد و در بالا و پایین بعضی از زیرترازها مشاهده می شوند زیرا در تئوری کوانتوم الکترون ها را می توان به صورت موج فرض کرد. اگر طول موج الکترون مضرب صحیحی از محیط نباشد، الکترون به طور ویرانگری با خود تداخل می کند، درنتیجه تنها طول موج هایی مجاز هستند که مضرب صحیحی از محیط لوله باشند. این موضوع تعداد حالت های مجاز انرژی حرکت الکترون در محیط لوله را شدیدا محدود می کند. تنها مسیر باقیمانده ممکن برای رسانایی، راستای محور لوله می باشد که این امر باعث می شود نانولوله های کربنی مانند سیم های کوانتومی یک بعدی عمل کنند. ترازهای الکترونی در لوله ها یک تراز انرژی الکترونی پهن و منفرد ایجاد نمی کنند، بلکه به ریزترازهای یک بعدی شکافته می شوند. این وضعیت در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که خواهیم دید این حالت را می توان توسط چاه پتانسیلی که عمقش برابر با طول نانولوله است، مدل کرد.انتقال الکترون در نانولوله های کربن تک دیواره منفرد اندازه گیری شده است. نمودار ولتاژ- جریان حاصل از اندازه گیری ها در دمای یک میلی کلوین روی یک نانولوله فلزی منفرد که بین دو الکترود فلزی قرار داده شده است، به صورت پله ای می باشد (شکل 4). در واقع یک الکترود دیگر به صورت الکتروستاتیک به نانولوله وصل شده و پله ها در ولتاژهایی رخ می دهدکه به ولتاژ اعمالی به الکترود سوم وابسته است. این حالت شبیه به عملکرد یک ترانزیستور اثر میدان ساخته شده از نانولوله کربن می باشد. قسمت های پله ای در نمودار V-I به دلیل تونل زدن یک الکترون منفرد و همچنین تونل زنی تشدیدی از میان اربیتال های ملکولی منفرد می باشد. وقتی ظرفیت خازنی نانولوله به قدری کم است که افزودن یک تک الکترون نیازمند اعمال انرژی الکتروستاتیک بزرگتر از انرژی حرارتی محیط باشد، تونل زنی تک الکترون منفرد رخ می دهد. در ولتاژهای پایین انتقال الکترون امکان پذیر نیست، که به آن انسداد کولنی می گویند. با افزایش تدریجی ولتاژ ورودی، الکترون ها یکی یکی به لوله اضافه می شوند. انتقال الکترون در لوله به تونل زنی الکترون بین حالت های گسسته الکترونی انجام می شود. جریان هر پله نشان داده شده در شکل 4 بوسیله یک اربیتال مولکولی اضافی ایجاد می گردد. این بدان معنی است که الکترون ها درنانولوله بطور بسیار مستحکمی در محل خود استقرار ندارند و می توانند تا مسافت های نسبتا دوری در طول لوله حرکت کنند. معمولا در سیستم های یک بعدی، وجود یک نقص باعث به دام افتادن الکترون ها می گردد. اما نقص در نانولوله نمی تواند موجب این امر شود زیرا بدلیل شکل حلقه ای تابع موج الکترون، این اثر در تمام محیط لوله تقسیم می گردد.
شکل 4 - نمودار جریان الکترون در یک نانولوله کربنی فلزی منفرد در دو ولتاژ ورودی مختلف که نشان دهنده پله هایی در منحنی های V-I می باشد.
شکل 4 - نمودار جریان الکترون در یک نانولوله کربنی فلزی منفرد در دو ولتاژ ورودی مختلف که نشان دهنده پله هایی در منحنی های V-I می باشد.
در حالت فلزی، رسانایی نانولوله ها بسیار بالاست. تخمین زده می شود نانولوله های فلزی بتوانند جریان یک میلیارد آمپر بر سانتیمتر مربع به دلیل گرمای مقاومتی بالا ذوب می شود. یک دلیل برای رسانایی بالای لوله های کربنی این است که به خاطر نقص های شبکه ای کمتر، الکترون ها کمتر پراکنده می شوند و در نتیجه مقاومت بسیار کمی دارند. جریان های زیاد به طریقی که سیم های مسی را گرم می کنند، نمی توانند، لوله ها را گرم کنند. نانولوله ها همچنین هدایت حرارتی بسیار بالایی دارند. تقریبا دو برابر بیشتر از الماس. یعنی نانولوله ها هادی های حرارت بسیار خوبی نیز هستند.
مگنتورزیستانس یا ام.آر. پدیده ای است که در آن مقاومت ماده با اعمال میدان مغناطیسی DC تغییر می کند. نانولوله های کربن در دمای پایین اثر ام.آر. از خود نشان می دهند. شکل 5 نمودار وابستگی تغییرات مقاومت نانولوله ها به میدان مغناطیسی را در دماهای 3/2 و 53/0 کلوین نشان می دهد. ام.آر. در این حالت منفی است زیرا مقاومت ماده با افزایش میدان مغناطیسی کاهش یافته و رسانایی آن افزایش می یابد. پدیده ام.آر. به این دلیل رخ می دهد که وقتی یک میدان مغناطیسی DC به نانولوله اعمال می شود، الکترون های تراز هدایت به ترازهای جدید رفته و همچنین حرکت آنها حول میدان مارپیچی می شود. این ترازهای جدید برای نانولوله ها، موسوم به ترازهای لاندا، خیلی نزدیک به سطوح فرمی قرار دارند. بنابراین با افزایش چگالی حالت ها ترازهای بیشتری برای افزایش انرژی الکترون ها وجود دارد و ماده رساناتر می گردد.
شکل 5- اثر میدان مغناطیسی DC روی مقاومت نانولوله ها در دماهای 35/0 و3/2 کلوین.
برای اینکه مجموعه ای از نانوذرات در کنار هم یک محیط رسانا تشکیل دهند ذرات باید در تماس الکتریکی با یکدیگر باشند. یک نوع از این مواد توده ای نانوساختارها رسانا حاوی ذرات طلا به شکل یک اسپری گردی تبدیل شده و در معرض مه رقیقی از یک تیول، مانند دودکان تیول RSH (R معادل C12H25 است) قرار می گیرد. این تیول های آلکیلی دارای سرشاخه –SH هستند که می توانند به متیل بپیوندد و یک زنجیره متیلن به طول 8 تا 12 واحد بوجود آورند که باعث دافعه فضایی بین زنجیرها می شود. ملکول های زنجیره ای مذبور به صورت شعاعی در اطراف ذره قرار می گیرند. این ذرات طلای محصور شده در حلال های زنجیری (آلفاتیک)، مانند هگزان، پایدار هستند. افزودن مقدار کمی دی تیول به محلول باعث تشکیل شبکه سه بعدی از خوشه ها می گردد که در محلول ته نشین می گردد. پس از تشکیل محلول کلوئیدی از نانوذرات نیز می توان خوشه ها را روی یک سطح صاف رسوب داد. رسانایی الکتریکی صفحه ای حاوی آرایه های دو بعدی از نانوذرات نیز می توان خوشه ها را روی یک سطح صاف رسوب داد. رسانایی الکتریکی صفحه ای حاوی آرایه های دو بعدی از نانوذرات طلای 500 نانومتری که توسط ملکول های مزدوج آلی به هم متصل گردیده اند، اندازه گیری شده است. ابزار ساخته شده به روش لیتوگرافی که اندازه گیری های الکتریکی چنین آرایه ای را ممکن می سازد در شکل 6 نشان داده شده است. شکل 7 نمودار جریان ولتاژ را برای زنجیره بدون پیوند (خط الف) و زنجیره متصل به ملکول مزدوج (خط ب) نشان می دهد. شکل 8 نتایج اندازه گیری خوشه متصل را در دماهای مختلف نشان می دهد. رسانایی (G) که به صورت نسبت جریان به ولتاژ تعریف می شود، معکوس مقاومت می باشد. R=V/I=1/G. اطلاعات شکل 7 نشان می دهد که وجود اتصال در نانوذرات طلا به میزان قابل توجهی رسانایی را افزایش می دهد.
فرآیند رسانش در این سیستم را می توان به وسیله آرایه شش ضلعی خوشه های تک بلور طلا که توسط مقاومت هایی به هم وصل شده اند (ملکول های مزدوج)، مدل کرد. این مدل در شکل 9 نشان داده شده است. مکانیزم رسانش بر اساس تونل زنی الکترون از یک خوشه فلزی به خوشه فلزی بعدی می باشد.
شکل 6- نمای مقطع عرضی ابزار ساخته شده به روش لیتوگرافی جهت اندازه گیری رسانایی الکتریکی در یک آرایه دو بعدی ذرات طلا که به وسیله ملکول ها به هم متصل شده اند.
شکل 7- ارتباط جریان-ولتاژ در دمای اتاق برای یک آرایه دو بعدی از خوشه ها. خط a: ذرات بدون اتصال. خط ب: ذرات توسط ملکول (CN)2C18H12 به هم متصل شده اند.
شکل 8 - نمودار جریان ولتاژ برای یک آرایه دو بعدی از خوشه هایی که بوسیله ملکول ها به هم معتصل شده اند. اندازه گیری در دماهای 85، 140 و 180 درجه کلوین انجام شده است.
شکل 9 - مدلی جهت توضیح رسانایی الکتریکی در یک آرایه شش ضلعی ایده آل از خوشه های تک بلور طلا. این خوشه های یکنواخت بوسیله ملکول های اتصال دهنده که نقش مقاومت را دارند به یکدیگر متصل شده اند.
شکل 10 - الف: اتصال فلز عایق فلز، ب: چگالی حالت های مربوط به ترازهای اشغال شده و تراز فرمی قبل از اعمال ولتاژ به اتصال، ج: چگالی حالت ها و تراز فرمی بعد از اعمال ولتاژ.
edu.nano.ir/index.php/articles/show/24
آخرین ویرایش:
