Ученые из Университета штата Иллинойс (University of
Illinois) продемонстрировали значительное увеличение в пропускании
электрического тока углеродными нанотрубками – намного выше, чем это
ранее предполагалось возможным. Исследователи подвели полупроводниковые
углеродные нанотрубки к лавинообразному процессу, в котором свободные
электроны образуются в значительно большем количестве уровневых
переходов.
Известно, что одностенные углеродные нанотрубки могут пропускать
токи плотностью до 100 раз выше, чем лучшие из известных
металлов-проводников, например, медь. Исследования, руководимые
профессором электро и компьютерного приборостроения Эриком Попом (Eric
Pop), показали, что полупроводниковые нанотрубки могут пропускать ток
вдвое более высокой плотности.
В работе, результаты которой опубликованы в первоклассном журнале
Physical Review Letters, авторы определили, что в напряженных
электрических полях (например, 10 В/мкм) высокоэнергетические электроны
и дырки могут создавать дополнительные электрон-дырочные пары, что
приводит к лавинообразному процессу роста потока свободных носителей.
При этом ток быстро нарастает до тех пор, пока нанотрубка не
разрушается.
По мнению профессора Попа, крутое нарастание тока определяется
всплеском лавинообразной ионизации – явлением, наблюдающимся в
определенных видах полупроводниковых диодов и транзисторов в
напряженных электрических полях, однако в нанотрубках до этого не
наблюдавшимся. Для металлических нанотрубок среднеквадратичное значение
предельного тока оценивалось в 25 микроампер, в то время как для
полупроводниковых нанотрубок таких оценок не существовало.
Теоретически, предполагали приблизительно такие же ограничения.
Для исследования эффектов, связанных с протеканием тока через
нанотрубки, исследователи вырастили одностенные полупроводниковые
нанотрубки, используя метод химического напыления испарением. Для
измерений использовали палладиевые электрические контакты. Эксперименты
проводили в бескислородной среде. В ходе экспериментов было обнаружено, что при
увеличении напряженности электрического поля, нарастание величины тока,
проходящего через нанотрубки, в районе 25 микроампер замедляется, а
затем резко возрастает с увеличением поля. Ученые довели ток через
нанотрубки до значений порядка 40 микроампер, что вдвое превышает
известные результаты.
При наложении на нанотрубки очень высоких электрических полей
исследователи вводили свободные носители заряда в состояния
возбужденных подуровней, фазы начала лавинообразного формирования новых
пар носителей. «Лавинный процесс, который не наблюдается в
металлических углеродных нанотрубках в силу широкой запрещенной зоны,
дает новые возможности трубкам с полупроводниковыми свойствами», – как
говорит проф. Поп. – «Результаты экспериментов говорят о том, что на
основе полупроводниковых одностенных нанотрубок могут быть созданы
устройства с высоко-нелинейными характеристиками включения, диктуемыми
параметрами лавинного процесса.
Финансирование работы было осуществлено Национальным Фондом
научных исследований (National Science Foundation) и Национальным
институтом стандартов и технологии (National Institute of Standards and
Technology – NIST).
Использованы материалы Университета штата Иллинойс (University of Illinois at Urbana-Champaign)
Евгений Биргер |
