Одно из замечательных свойств углеродных нанотрубок (УНТ), открывающих широкие возможности для разнообразных применений, связано со взаимной зависимостью механических и электронных характеристик УНТ.

Известно, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) УНТ изменяется под воздействием механической нагрузки. Такое свойство может быть положено в основу действия различных устройств, преобразующих механическое усилие в электрический сигнал и обратно. Подобные устройства нанометровых размеров относятся к классу наноэлектромеханических систем (НЭМС), разработка которых составляет одно из главных направлений развития нанотехнологий.

Связь между электрическими и механическими характеристиками УНТ обусловлена изменениями в их электронной структуре, возникающими под воздействием механической нагрузки и приводящими к изменению таких параметров нанотрубки, как положение уровня Ферми, ширина запрещенной зоны, концентрация носителей и т.п. Это, в свою очередь, отражается на макроскопических характеристиках УНТ, таких как максимально достижимый ток через нанотрубку, ее электрическое сопротивление и др. Так, в эксперименте, выполненном недавно в университете г. Осака (Япония) установлено, что максимально достижимый ток через нанотрубку однозначно связан с модулем Юнга, характеризующим ее механическую прочность.

В эксперименте использовали многослойные нанотрубки, синтезированные методом CVD. Некоторое количество таких нанотрубок, ориентированных в продольном направлении, помещали на пьезоэлектрическую пластинку, которая при приложении к ней электрического напряжения переменной частоты подвергалась механическим колебаниям. С целью установления резонансной частоты осцилляций исследуемой нанотрубки ее облучали пучком электронов с диаметром менее 1 нм, что приводило к вторичной электронной эмиссии с поверхности нанотрубки. Если нанотрубка колебалась на резонансной частоте, интенсивность вторичной электронной эмиссии достигла минимальной величины.

Связь между максимально достижимой плотностью тока через УНТ и величиной модуля Юнга

Для определения модуля Юнга нанотрубки использовали стандартное соотношение, выражающее резонансную частоту колебаний УНТ через значение этого параметра и геометрические размеры нанотрубки. ВАХ индивидуальных УНТ измеряли с помощью кремниевого контакта наноманипулятора, покрытого платиновым слоем. Типичная ВАХ имеет растущий характер при малых напряжениях и достигает насыщения при напряжении 4 – 5 В. Результаты измерений (см. рис.) указывают на связь между максимально достижимой плотностью тока через УНТ, определяемой как отношение максимального тока к произведению πd_o ( где d_o – внешний диаметр нанотрубки) и величиной ее модуля Юнга. Полученные результаты указывают на роль структурных дефектов УНТ, определяющих как ее электрические характеристики, так и прочностные свойства.