نانولوله کربنی به دلیل ساختار کریستالوگرافی و خواص منحصر به فرد، در بسیاری از ادوات نانوالکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد. این ماده به دلیل مساحت سطحی قابل توجه، ساختار توخالی، استحکام مکانیکی بالا، خواص الکتریکی عالی و وجود ساختارهای منحصر به فرد در پیوندهای الکترونی، به طور گسترده در ذخیرهسازی انرژی، مواد نانوکامپوزیتی، و ساخت ادوات نانوالکترونیکی نظیر نانوحسگرها به کار میرود. در این مقاله، ابتدا به معرفی اجمالی نانولولههای کربنی پرداخته میشود و سپس خواص الکتریکی و کاربردهای جدید نانوالکترونیکی آنها نظیر نانوترانزیستورها و دیودهای p-n نانومقیاس مورد بحث و بررسی قرار میگیرند.
این مقاله شامل سرفصلهای زیر است:
1- مقدمه
2- خواص الکتریکی نانولولههای کربنی
3- کاربردهای نانوالکترونیکی
1-3-ترانزیستورها
2-3-دیودهای نانومتری p-n
نتیجهگیری
1- مقدمه
ساختارهای کربنی به دلیل شیمی خاص اتمهای کربن، دارای گستره وسیعی از خواص هستند. کربن اصلیترین جزء سازنده برخی از ترکیبات مهم نانوالکترونیکی نظیر الماس، کربن بیشکل (آمورف)، فولرن (Fullerene)، نانوالیاف کربنی (Carbon Nanofibers, CNFs)، نانولولههای کربنی (Carbon Nanotubes, CNTs) و گرافن محسوب میشود. از نظر بلورشناختی، نانولولههای کربنی، لولههایهایی استوانهای شکل از جنس صفحات گرافنی هستند. این مواد میتوانند با یک جداره (Single-Walled Carbon Nanotube, SWNTs) یا چند جداره از صفحات گرافنی لوله شده (Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs) ساخته شوند. شکل 1 انواع مختلف نانولولههای کربنی را نشان میدهد.
شکل 1- شمایی از انواع نانولولههای کربنی (به ترتیب از چپ به راست) شامل نانولوله تک جداره، دو جداره و چند جداره.
نانولولههای کربنی تک جداره، از یک ورق گرافنی تک لایه به صورت استوانهای با قطر 1 تا 2 نانومتر ساخته میشوند. نانولولههای کربنی چند جداره نیز شامل لولههای گرافنی متراکم و نزدیک به هم با لایههای متعددی از ورقههای گرافن هستند. این مواد دارای یک حفره با قطر تقریبی 2 تا 25 نانومتر بوده و حلقههای دیگر به صورت متحدالمرکز با فاصله 0/34 نانومتر از یکدیگر قرار میگیرند.
با تغییر در ساختار، قطر، و جهتگیری نانولولههای کربنی، میتوان رفتار الکتریکی این مواد را از محدوده فلزی به نیمرسانایی تغییر داد. خواص مکانیکی و ریزساختاری نانولولهها، به اندازه هندسی، ساختار بلوری، و توپوگرافی آنها وابستگی شدیدی دارد. مشاهدات علمی ثابت کردهاند که نانولولههای کربنی، در کنار پایداری شیمیایی مطلوب، از استحکام کششی بسیار بالا ( 100 برابر فولاد) و مدول یانگ فوق العاده (7 برابر فولاد) برخوردار هستند. دلیل چنین خواص مکانیکی عالی در نانولولههای کربنی، تشکیل یافتن آن از کربنهای هیبرید شده با ساختار sp2 است. به علاوه، نانولولههای کربنی بسیار سبک بوده و پایداری حرارتی آن تا دماهای بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد میرسد. هدایت حرارتی بالای نانولولههای کربنی، یکی دیگر از خواص بارز این نانوساختارها به شمار میرود. هدایت حرارتی این مواد تقریبا دو برابر الماس گزارش شده است. یکی دیگر از پدیدههای مهم در نانولولههای کربنی، وابستگی حرکت حاملهای بار در طول نانولوله به آرایش الکترونها است که باعث ایجاد خواص نیمرسانایی یا فلزی در این مواد میشود. شکل 2 فهرستی از خواص برجسته نانولولههای کربنی را ارائه میدهد.
شکل 2- مهمترین خواص نانولولههای کربنی .
تاکنون روشهای مختلفی برای سنتز نانولولههای کربنی پیشنهاد شده است که از مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
کندوپاش لیزری (Laser ablation)
تجزیه کاتالیزوری هیدروکربنها
رسوبدهی شیمیایی بخار آلی فلزی (Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)
تخلیه قوس الکتریکی (Electrical arc discharge)
تبدیل CO با فشار بالا
علاوه بر کاربردهای الکترونیکی نانولولههای کربنی، از این مواد در صنایع دیگری هم نظیر مواد کامپوزیتی، پوششها و فیلمها، ذخیره انرژی، مسائل زیست محیطی، و فناوری زیستی استفاده میشود. شکل 3 تعداد اسناد (patent) منتشر شده درباره حوزههای کاربردی نانولولههای کربنی را نشان میدهد.
شکل 3- تعداد پتنتهای منتشر شده درباره حوزههای کاربردی نانولولههای کربنی در جهان [1].
2- خواص الکتریکی نانولولههای کربنی
نانولولههای کربنی تک جداره دارای شکاف انرژی کوچک و در حدود 10 میلی الکترون ولت هستند. این خاصیت بینظیر، برای اولین بار در اندازهگیریهای مربوط به انتقال الکترون مشاهده شده است. انتقالات الکترونی در نانولولههای کربنی تکجداره، با تغییر ولتاژ گیت انجام میشود. رفتار الکتریکی این مواد، بسته به موقعیت تراز فرمی (Fermi) میتواند فلزی یا نیمهرسانا باشد. با توجه به اینکه نانولولههای کربنی از نوع ساختارهای ساده کربنی هستند، خواص الکترونیکی آنها شدیداً به قطر و کایرالیته (chirality) لولهها بستگی دارد. محققان مدل ساده tight-binding را برای درک بهتر خواص الکترونیکی این مواد پیشنهاد کردهاند. در فیزیک حالت جامد، مدل tight-binding، یک روش ساده برای محاسبه ساختار نوار الکترونیکی با استفاده از توابع موج، برپایه برهمنهی این توابع، برای اتمهای ایزوله واقع در یک مکان اتمی دلخواه است. این روش تا حد زیادی شبیه به روش ترکیب خطی اوربیتال اتمی (Linear Combination of Atomic Orbitals, LCAO) مورد استفاده در شیمی است. مدل tight-binding در بسیاری از موارد، نتایج کمی قابل قبولی ارائه میکند. از آنجاییکه این مدل، یک مدل تک الکترونی است، میتواند پایه و اساس محاسبات پیشرفتهای در حالت سطح باشد.
تحقیقات انجام شده نشان میدهند که علاوه بر تغییر قطر و کایرالیته، تغییرشکلهای ساختاری نیز میتوانند بر خواص الکترونیکی نانولولههای کربنی اثرگذار باشند. ثابت شده است که تنشهای تکمحوری تاثیر چندانی روی ساختار پیوندی نانولولههای armchair ندارند، در حالیکه ساختار پیوندی نانولولههای زیگزاگ به طور قابل توجهی با این تنشها تغییر میکنند. در حقیقت، امروزه برای بررسی ارتباط بین ساختار الکترونی نانولولهها و کرنشهای مکانیکی اعمال شده، تغییرات به وجود آمده در ساختار پیوند π گرافن را مورد مطالعه قرار میدهند. روابط به دست آمده، نشان از تغییر رفتار الکتریکی نانولولهها از حالت نیمهرسانایی به حالت فلزی در اثر اعمال کرنش دارند. اخیراً اثرات مشابهی با استفاده از روابط و محاسبات پیچیده و تنها با چند تصحیح جدید به دست آمده است.
علاوه بر کرنش، عوامل دیگری مانند هندسه ظاهری و دما نیز در خواص الکتریکی نانولولهها تاثیرگذار هستند. در حقیقت، هر نانولوله کربنی چند جداره، خواص الکتریکی منحصر به فردی دارد. در این مواد هم رفتار فلزی و هم رفتار غیرفلزی مشاهده شده است. از طرف دیگر، با تغییر دما، تعدادی تغییرات ناگهانی در رسانایی این نانولولهها به وجود میآید. پژوهشگران، تغییرات به وجود آمده در رسانایی الکتریکی نانولولهها با تغییر دما را فراتر از حد تصور خود عنوان کردهاند. بنابراین به عنوان یک نتیجه کلی، میتوان گفت که خواص الکتریکی نانولولههای تک جداره بیشتر به کایرالیته و خواص الکتریکی نانولولههای چند جداره به برهمکنش لایههای داخلی آنها بستگی دارد.
دوپ کردن یکی دیگر از فرآیندهایی است که موجب بهبود خواص الکتریکی نانولولههای کربنی میشود. این فرآیند به صورت آمفوتریک (amphoteric) انجام میشود، به این مفهوم که دوپ کردن الکترون و حفره هم با تغییر ترکیب شیمیایی ماده دوپنت (dopant) و هم با تغییر پتانسیل شیمیایی اعمالی به نانولولهها قابل انجام است. با این روش میتوان رسانایی الکتریکی حفره یا الکترون را تا چندین برابر رسانایی ذاتی مواد خالص افزایش داد. دوپ کردن نانولولههای کربنی باعث جابهجایی تراز فرمی در کنار ثابت ماندن ساختار نواری میشود. موقعیت تراز فرمی در مواد دوپ نشده، در وسط عرض نوار ممنوعه قرار دارد. در مورد نانولولههای کربنی تک جداره، موقعیت تراز فرمی به طور دقیق مشخص نیست، اما به صورت خطی با انرژی نوار ممنوعه متناسب است. اما تغییر در تراز فرمی پس از دوپ کردن، باعث افزایش جمعیت الکترونها در نزدیکی تراز فرمی میشود و رسانایی بهبود مییابد.
3- کاربردهای نانوالکترونیکی
نانولولههای کربنی در ساختار بسیاری از ادوات نانوالکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند. در این بخش تنها به دو مورد از مهمترین این کاربردها پرداخته میشود: نانوترانزیستورها، و نانودیودهای p-n. به عنوان یک مثال جذاب برای ورود به بحث، شکل 4 نحوه قرارگیری نانولوله کربنی در ساختار یک ترانزیستور نانومتری را نشان میدهد.
شکل 4- کاربرد نانولولههای کربنی در ساختمان ادوات نانوالکترونیکی.
1-3-ترانزیستورها
در ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانولولههای کربنی (Nanotube Field Effect Transistors, NT-FETs)، گیت معمولاً در زیر ناحیهای قرار میگیرد که نانولوله کربنی روی آن نشانده شده است. دو انتهای نانولوله معمولاً به پایانههای فلزی منبع و تخلیه متصل میشود. روش اصلی ساخت این ترانزیستورها بدین صورت است که ابتدا نانولولهها را به صورت تصادفی بر روی زیرلایه سلیکونی توزیع میکنند و یا توسط میکروسکوپ نیروی اتمی روی زیرلایه قرار میدهند. سپس با روش لیتوگرافی، پایانههای فلزی بر روی نانولوله ایجاد میشود. عملکرد الکتریکی ترانزیستورهای تولید شده با این روش، به نوع نانولوله و رفتار رسانایی آن ( فلزی یا نیمهرسانا) بستگی دارد و اپراتور هیچ کنترلی بر روی خواص نهایی آن ندارد. اخیرا پژوهشگران بیان کردهاند که به منظور دستیابی به خواص الکترونیکی مطلوب، کندن (peeling) انتخابی لایه بیرونی نانولولههای چند جداره امکانپذیر است، اما این فرآیند هنوز به طور کامل قابل اعتماد نبوده و ممکن است برای تولید انبوه مناسب نباشد. اندازه کلی ادوات نانوالکترونیکی مبتنی بر این ترانزیستورها حدود چند صد نانومتر است که الزاماً از ترانزیستورهای اثر میدان پایه سیلیکونی کوچکتر نیست. هدف اصلی پژوهشها در حوزه نانوترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانولولههای کربنی، جایگزینی کانال رسانایی پایه اکسید سلیکون با نانولولههای کربنی است. یک روش اساسی، ساخت تمام قسمتهای مدار الکترونیکی از نانولولههای کربنی به هم پیوسته است. شکل 5 شمایی از موقعیت نانولولههای کربنی در ترانزیستورهای اثر میدان را نشان میدهد.
شکل 5- شمایی از موقعیت نانولولههای کربنی در ترانزیستورهای اثر میدان.
2-3-دیودهای نانومتری p-n
همانطور که میدانید، سادهترین دیودها از اتصال دو قطعه نیمرسانا ساخته میشوند، به طوریکه یکی از بخشها رفتار n-doped و دیگری رفتار p-doped دارد. ساخت این نیمهرساناها در گذشته با دوپ کردن موادی با رفتار نیمرسانایی به دست میآمدند. این کار، فرآیند ساخت را با مشکلات متعددی روبرو میکرد. به همین دلیل، تلاشها برای دوپ کردن میدانی مواد نیمهرسانا در داخل مدارات مجتمع شدت گرفت. یکی از تکنیکهای ارائه شده، ساخت دیودهای مبتنی بر نانولولههای کربنی بود. از آنجاییکه خواص الکتریکی نانولولهها به کایرالیته و نوع دوپ شدن آنها بستگی دارد، میتوان دیودی ساخت که در آن، دو بخش نیمهرسانای نوع n و p در یک «نانولوله کربنی نیمهرسانا» خلاصه شده باشد. به عبارت دیگر، میتوان به جای دو بخش نیمهرسانای نوع n و p، از نانولولههای کربنی استفاده کرد، به شرط اینکه بتوان با تکنیک خاصی، حاملهای باری را به راس آنها تزریق کرد تا دو نیمه یک نانولوله بتوانند در مقایسه با یکدیگر، نقش نیمهرسانای نوع n و p را ایفا کنند. اتصالات p-n یکی از اجزای اصلی در ساخت تمامی ادوات نیمهرسانای مدرن بوده و پایه و اساس بسیاری از ترانزیستورهای اثر میدان و دستگاههای اپتوالکترونیکی به شمار میروند. به همین دلیل، بهبود خواص اتصالات p-n برای توسعه ادوات الکترونیکی پربازده امری ضروری است.
دو روش کلی برای دوپ کردن یک نانولوله کربنی منفرد و تبدیل آن به یک اتصال n-p وجود دارد:
(الف) دوپ شیمیایی: منظور از دوپ شیمیایی، افزودن عنصری به نانولوله کربنی در حین سنتز است به طوری که در بخشی از آن بتوان غلظت الکترونها و در بخش دیگر، غلظت حفرهها را افزایش داد. اخیراً پژوهشگران دیودهای اتصال p-n را از طریق دوپ شیمیایی نانولولههای منفرد تولید کردهاند. اما مشکل اصلی این است که خواص الکتریکی این نانولولهها به دلیل دوپ بالا و تشکیل اتصال ناگهانی دو بخش دوپ شده با یکدیگر، رفتار نشتی (leaky behavior) از خود نشان میدهد.
(ب) دوپ الکترواستاتیکی: منظور از دوپ الکترواستاتیکی، اعمال یک ولتاژ گیت متفاوت به دو بخش یک نانولوله کربنی منفرد است به طوری که ساختار نواری یک سر نانولوله نسبت به سر دیگر تغییر یابد و با این کار، نصف نانولوله نقش نیمهرسانای نوع n و بخش دیگر نقش نیمهرسانای نوع p را ایفا کند. پژوهشگران از روش دوپ الکترواستاتیک نانولولههای کربنی تک جداره، برای تشکیل اتصال p-n در دمای اتاق بهره بردهاند. دوپ الکترواستاتیک، اجازه بررسی خواص تقریباً ذاتی نانولولهها بدون ایجاد حالت dopant یا تغییر ساختار نواری را میدهد.
شکل 6 شمایی از تشکیل یک دیود نانومتری p-n بر پایه دوپ الکترواستاتیکی دو بخش یک نانولوله کربنی را نشان میدهد. در این دیود اگر ولتاژ گیت VG1 مثبت و ولتاژ گیت VG2 منفی باشد، نانولوله به خودی خود، مشابه یک اتصال نیمهرسانای نوع n-p رفتار خواهد کرد. میزان دوپ شدن نانولوله نیز با تغییر ولتاژ گیت قابل کنترل است.
شکل 6- شمایی از سطح مقطع دیود p-n مبتنی بر یک نانولوله کربنی تک جداره. ولتاژ گیت VG1 و VG2 به منظور دوپ الکترواستاتیکی نانولوله کربنی تک جداره به کار میرود. به عنوان مثال، اگر VG1˂0 و VG2˃0 باشد، دیود تشکیل میشود [2] .
نتیجهگیری
ساختارهای کربنی به دلیل شیمی خاص اتمهای کربن، دارای گستره وسیعی از خواص در حوزههای مختلف فناوری نانوالکترونیک و بیوالکترونیک هستند. از بین آلوتروپهای کربن، نانولوله کربنی به دلیل کشیدگی ساختار و رفتار رسانایی قابل تنظیم خود، از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این مقاله به بررسی رسانایی الکتریکی این دسته از مواد پرداخته شد. گفته شد که این مواد بسته به کایرالیته، قطر ظاهری، تعداد جدارهها و دمای کاری میتوانند طیف گستردهای از رفتارهای الکترونی و الکتریکی را داشته باشند. تاکید شد که میتوان با کنترل هر کدام از این پارامترها و همچنین دوپ کردن این مواد با عناصر مناسب، رفتار نیمهرسانایی آنها را تقویت کرد. همین عامل باعث شده است تا از نانولولههای کربنی بتوان در ساخت ادواتی استفاده کرد که نیاز به نیمهرساناهایی با عرض نوار ممنوعه قابل تغییر دارند. از مهمترین این مواد میتوان به نانوترانزیستورهای اثر میدان و نانودیودها با اتصالات p-n اشاره کرد. در نانوترانزیستورها، از نانولوله کربنی به عنوان کانال رسانایی و در نانودیودها به عنوان اتصال یکپارچه p-n استفاده میشود. حسن استفاده از این ماده در ساخت ادوات یاد شده، قابلیت کوچکسازی آنها و امکان تغییر رفتار الکترونیکی با استفاده از متغیرهای فرآیندی است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Baughman, Ray H., Anvar A. Zakhidov,Walt A. De Heer. “Carbon nanotubesthe route toward applications.” science 297, no. 5582 (2002): 787-792.
۲ – Lee, Ji Ung, P. P. Gipp,C. M. Heller. “Carbon nanotube p-n junction diodes.” Applied Physics Letters 85, no. 1 (2004): 145-147.
۳ – Kim, Bumsuk, Jongjin Lee,Insuk Yu. “Electrical properties of single-wall carbon nanotubeepoxy composites.” Journal of Applied Physics 94, no. 10 (2003): 6724-6728.
۴ – Baughman, Ray H., Anvar A. Zakhidov,Walt A. De Heer. “Carbon nanotubesthe route toward applications.” science 297, no. 5582 (2002):
۵ – Zhou, Chongwu, Jing Kong,Hongjie Dai. “Intrinsic electrical properties of individual single-walled carbon nanotubes with small band gaps.” Physical Review Letters 84, no. 24 (2000): 5604.
۶ – Li, Shengdong, Zhen Yu, Christopher Rutherglen,Peter J. Burke. “Electrical properties of 0.4 cm long single-walled carbon nanotubes.” Nano Letters 4, no. 10 (2004): 2003-2007.
۷ – Bernholc, J., D. Brenner, M. Buongiorno Nardelli, V. Meunier,C. Roland. “Mechanicalelectrical properties of nanotubes.” Annual Review of Materials Research 32, no. 1 (2002): 347-375.
۸ – Byon, Hye Ryung,Hee Cheul Choi. “Network single-walled carbon nanotube-field effect transistors (SWNT-FETs) with increased Schottky contact area for highly sensitive biosensor applications.” Journal of the American Chemical Society 128, no. 7 (2006): 2188-2189.
۹ – De Volder, Michael FL, Sameh H. Tawfick, Ray H. Baughman,A. John Hart. “Carbon nanotubes: presentfuture commercial applications.” science 339, no. 6119 (2013): 535-539.