Моделирование технологий создания и функционирования элементов наноэлектроники на основе углеродных нанотрубок

Рассмотрены электронные свойства углеродных нанотрубок (УНТ), легированных различными элементами: водородом, бором и азотом. С помощью подходов Кубо-Гринвуда и теории функционала плотности были рассчитаны оптические характеристики массивов однослойных и многослойных УНТ; было замечено, что с увеличение диаметра одностенных УНТ пики тензоров диэлектрических проницаемостей смещаются в длинноволновую область. Выявлено, что в массиве нанотрубок пик диэлектрической восприимчивости смещается в коротковолновую область спектра. При создании геометрического диода из металлических нанотрубок может проявиться проблема возникновения дефектных состояний в запрещенной зоне. В случае легированного диода можно наблюдать в локальной плотности состояний, что легированная область плотнее заполнена, нежели обычная. Предложена модель планарного генератора ППП волн (спазера), которая может найти применение как в технологиях связи, так и при разработке сверхбыстродействующих оптических логических элементов. Показано, что лазерное излучение ближнего ИК-диапазона может быть использовано для генерации ППП в периодическом массиве УНТ в условиях однопучкового облучения, а также для произвольно расположенного (непериодического) массива в условиях двухпучкового облучения. Экспериментально исследованы пучки и вертикальные массивы многостенных УНТ, подвергнутые обработке в плазме водорода. Эксперимент и квантово-механические расчеты указывают на то, что такая обработка в плазме водорода приводит к его хемосорбции, в результате чего работа выхода уменьшается. Показано, что уменьшение работы выхода обусловлено изменением потенциала конца нанотрубки, покрытого водородом, причем величина этого уменьшения зависит как от свойств нанотрубки, так и от степени заполнения ее водородом. Полученные результаты могут быть использованы в технологии создания автоэмиссионных элементов наноэлектроники. Изучение эмиссионных процессов с одиночной УНТ показало, что при увеличении тока происходит разогрев конца трубки, эмитирующего электроны. В этом случае наряду с автоэмиссионным током появляется ток термоэлектронной эмиссии. С увеличением тока температура перегрева увеличивается, ток определяется практически только термоэлектронной эмиссией, при этом сам процесс эмиссии становится нестабильным: температура перегрева может превысить 2000°С, а нанотрубка начнет разрушаться. Разработан алгоритм, который опирается на численные расчеты тока автоэлектронной эмиссии и температуры перегрева. Показано, что при перегреве возникает участок отрицательного сопротивления. В этот момент начинает преобладать термоэлектронный ток. Вычислена связь между величиной тока, длиной и площадью поперечного сечения нанотрубки, которая позволяет оценить области, при которых могут развиваться деградация катода и эмиссия становиться неустойчивой. Таким образом, экспериментально и теоретически исследованы электронные свойства углеродных нанотрубок при различном легировании, показана возможность создания на основе углеродных наноматериалов перспективных элементов наноэлектроники.