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