Są wytrzymalsze od stali, ale najwaŻniejsze zastosowanie
mogą znaleę� w szybszych, oszcz�dniejszych
i trwalszych przyrządach elektronowych
Philip G. Collins i Phaedon Avouris
Nanorurki
w elektronice
rawie 10 lat temu Sumio Iijima oglądając za po- nia z ostatnich kilku lat da"y naukowcom nadziej�, Że przewo-
mocą mikroskopu elektronowego w Laborato- dy i inne elementy o Ęrednicy dziesiątek nanometrów lub
rium Badał
Podstawowych firmy NEC w Tsu- mniejszej moŻna wykona� z nanorurek i wbudowa� je do
kubie w Japonii próbk� rozmazanej sadzy, uk"adów elektronicznych, które b�dą dzia"a� szybciej i zuŻy-
dostrzeg" w niej dziwne nici o rozmiarach rz�- wa� mniej energii niŻ ich dzisiejsze odpowiedniki.
Pdu nanometrów. Niewiele póęniej te zbudowa-
ne tylko z w�gla, regularne i symetryczne niczym kryszta"y,
niezwykle cienkie i niewiarygodnie d"ugie makrocząsteczki
zyska"y s"aw� jako nanorurki i sta"y si� przedmiotem inten-
sywnych badał
naukowych.
Niedawno znalaz"y si� równieŻ w sferze zainteresował
in-
Żynierii. Wiele niezwyk"ych w"aĘciwoĘci przypisywanych na-
norurkom  w tym najwyŻsza odpornoĘ� na zginanie i rozcią-
ganie oraz stabilno� termiczna  by"o powodem fantastycznych
zapowiedzi skonstruowania mikroskopijnych robotów, wy-
produkowania niezniszczalnych karoserii samochodowych
i budynków odpornych na trz�sienie ziemi. JednakŻe w pierw-
szych produktach z nanorurek nie wykorzystano Żadnej z ich
wymienionych powyŻej zalet. Przeciwnie, najwczeĘniejsze za-
stosowania są związane z elektrycznoĘcią. W niektórych mode-
lach samochodów koncernu General Motors moŻna znaleę�
cz�Ęci z plastiku z dodatkiem nanorurek; to dzi�ki nim two-
rzywa sztuczne da si� przed malowaniem na"adowa� elektrycz-
nie, co zwi�ksza przyleganie do nich farby. Na rynku znajdą
si� wkrótce inne produkty  ęród"a Ęwiat"a i wyĘwietlacze.
Prawdopodobnie w dalszej perspektywie najcenniejsze
okaŻą si� zastosowania nanorurek związane z unikatowymi
w"aĘciwoĘciami elektronicznymi. Nanorurki w�glowe mogą
w zasadzie spe"nia� t� samą rol� co krzem, ale w skali, w któ-
rej ten i inne klasyczne pó"przewodniki przestają zachowywa�
si� poprawnie. Mimo Że rozmiary krytyczne tranzystorów
w komercyjnych uk"adach scalonych zredukowano juŻ po-
niŻej 200 nm  mniej wi�cej 400 atomów  to dalsza miniatu-
ryzacja napotyka powaŻne przeszkody. W najbliŻszym dzie-
si�cioleciu post�p w dziedzinie materia"ów i procesów, które
zainicjowa"y rewolucj� komputerową, zatrzyma si� przed
barierą fundamentalnych ograniczeł
fizycznych. Wzgl�dy
ekonomiczne przemawiają za zmniejszaniem rozmiarów naj-
mniejszych elementów aktywnych, poniewaŻ towarzyszy te-
mu gwa"towny wzrost szybkoĘci, g�stoĘci upakowania
i sprawnoĘci uk"adów mikroelektronicznych. DoĘwiadcze-
40 �WIAT NAUKI Luty 2001
SLIM FILMS
Pierwsze nanorurki w�glowe, które Iijima zauwaŻy" w 1991 zwyk"ym materia"em. Wi�kszoĘ� cia" przewodzących prąd
roku, by"y rurkami wielowarstwowymi: kaŻda sk"ada"a si� moŻemy zaklasyfikowa� jako metale lub pó"przewodniki,
z kilku umieszczonych jeden w drugim pustych cylindrów tymczasem grafit jest jednym z nielicznych przyk"adów pó"-
z w�gla, niczym rosyjskie matrioszki. Dwa lata póęniej Iiji- metali  materia"ów o szczególnie subtelnej strukturze pa-
ma i Donald Bethune z IBM niezaleŻnie od siebie wytworzy- smowej. Gdy oprócz pó"metalicznych w"aĘciwoĘci grafitu
li rurki jednowarstwowe zbudowane z pojedynczej warstwy uwzgl�dnimy regu"y mechaniki kwantowej, nanorurki w�-
atomów w�gla. Obydwa rodzaje rurek moŻna otrzymywa� glowe okaŻą si� niezwykle egzotycznymi przewodnikami.
podobnie, a ich w"aĘciwoĘci, w tym ta najbardziej widoczna Jedna z tych regu" mówi, Że elektrony zachowują si� jed-
 niezmierna cienkoĘ� i d"ugoĘ�  są zbliŻone. I tak odmiana noczeĘnie jak fale i cząstki, a fale elektronowe mogą si� doda-
jednowarstwowa ma oko"o jednego nanometra Ęrednicy, wa� lub odejmowa�. W rezultacie elektron biegnący po ob-
a d"ugoĘ� tysi�cy nanometrów. wodzie moŻe tak oddzia"ywa� ze sobą, Że wynik b�dzie zerem.
O trwa"oĘci nanorurek decyduje si"a wiązania mi�dzy ato- Dopuszczalne są wy"ącznie fale o ĘciĘle okreĘlonych d"ugo-
mami w�gla  ta sama, która odpowiada za twardoĘ� dia- Ęciach. Zaledwie niewielka cz�Ę� fal elektronowych, czyli sta-
mentu. W diamentach atomy w�gla rozmieszczone są nów kwantowych, dost�pnych w p"askim arkuszu grafitu po-
w wierzcho"kach czworoĘcianu foremnego. W nanorurkach zostaje dozwolona po jego zwini�ciu w nanorurk�. Od-
atomy w�gla tworzą szeĘciokątne pierĘcienie. Podobny uk"ad powiedni podzbiór zaleŻy od jej Ęrednicy i od tego, czy jest
wyst�puje w graficie  nanorurki przypominają pojedyncze ona skr�cona jak Ęruba.
warstwy grafitu (lub kilka warstw umieszczonych jedna na
drugiej) zwini�te w pozbawione denek walce. Nie wiemy do-
k"adnie, w jaki sposób atomy w�gla formują nanorurki [ram-
P�ASZCZYZNA
ka na stronie 45], ale wiele wskazuje na to, Że atomy są doda-
Z�OTA ŁRÓD�A
wane na koł
cach podobnie jak kolejne oczka w robionym na
drutach r�kawie swetra.
Rurki ze skr�ceniem
KANA�
Z NANORURKI
NiezaleŻnie od typu, sk"adu i geometrii nanorurki mają
niezwykle z"oŻone w"aĘciwoĘci elektronowe. Po cz�Ęci odpo-
wiedzialne za to są ich rozmiary, poniewaŻ w skali nanome-
IZOLATOR
trowej obowiązuje fizyka kwantowa. Ale i sam grafit jest nie- Z DWUTLENKU KRZEMU
P�ASZCZYZNA
Z�OTA DRENU
UK�ADY SCALONE przysz"ych generacji b�dą zawiera� ĘcieŻki
i tranzystory mniejsze od uzyskiwanych dziĘ za pomocą fotolitogra-
fii. Przewodzące prąd makrocząsteczki w�gla spontanicznie tworzą-
ce rurki (na górze z lewej) są juŻ badane jako ultracienkie druty (z le-
wej) lub kana"y w doĘwiadczalnych tranzystorach polowych (powyŻej).
Wyeliminowanie cz�Ęci stanów elektronowych w metalu
lub pó"przewodniku nie powoduje aŻ tak drastycznych zmian,
jak w pó"metalu, który jest pod tym wzgl�dem niezmiernie
wraŻliwy. To dlatego nanorurki są interesujące. W arkuszu
grafitu jeden szczególny stan elektronowy (fizycy nazywają
go punktem Fermiego) odpowiada niemal ca"kowicie za jego
przewodnictwo; elektrony z innych stanów nie uczestniczą
w transporcie. Zaledwie trzecia cz�� wszystkich nanorurek
w�glowych ma odpowiednią Ęrednic� i stopieł
skr�cenia, by
zbiór dozwolonych stanów zawiera" punkt Fermiego. Te na-
norurki są metalicznymi nanodrutami.
Pozosta"e dwie trzecie nanorurek to pó"przewodniki. Ozna-
cza to, Że podobnie jak krzem nie mogą przewodzi� prądu
elektrycznego, jeŻeli z zewnątrz nie otrzymają pewnej porcji
energii. Dopiero Ęwiat"o lub napi�cie moŻe przenieĘ� elek-
trony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, w któ-
rym b�dą mog"y swobodnie si� porusza�. Minimalna wyma-
gana porcja energii zaleŻy od odleg"oĘci pomi�dzy obydwoma
poziomami i jest nazywana przerwą energetyczną pó"prze-
wodnika. I w"aĘnie wyst�powanie przerwy energetycznej
w pó"przewodnikach sprawia, Że są one uŻyteczne w elek-
tronice; inŻynierowie dysponując materia"ami z róŻnymi prze-
rwami energetycznymi, byli w stanie opracowa� szeroką ga-
m� dost�pnych dziĘ przyrządów pó"przewodnikowych.
�WIAT NAUKI Luty 2001 41
PHILIP G. COLLINS I PHAEDON AVOURIS
CEES DEKKER
University of Delft
Elektryczne w"aĘciwoĘci nanorurek
Podwójna osobowoĘ�
METAL PÓ�PRZEWODNIK
GRAFIT
W�A�CIWO�CI ELEKTRYCZNE materia"ów zaleŻą od odleg"oĘci pomi�dzy stanami
energetycznymi zaj�tymi przez elektrony (czerwony), a stanami  przewodnictwa , które
są wolne i osiągalne dla elektronów (jasnoniebieski). Metale dobrze przewodzą prąd,
poniewaŻ duŻa liczba elektronów ma "atwy dost�p do pobliskich stanów przewodnictwa.
W przypadku pó"przewodników elektrony potrzebują pewnej energii, na przyk"ad ze Ęwia-
t"a lub pola elektrycznego, która pozwoli im pokona� przerw� oddzielającą stany przewod-
nictwa. Odmiana w�gla znana jako grafit jest zaliczana do pó"metali, poniewaŻ s"abo
przewodzi prąd bez dostarczenia energii z zewnątrz. Jest tak dlatego, Że tylko niewiel-
PUNKT
ka liczba elektronów ma bezpoĘredni dost�p do stanów przewodnictwa.
FERMIEGO
2/3
METAL
1/3
PROSTE NANORURKI moŻna wyobrazi� sobie jako prosty pas wyci�ty z arkusza gra-
fitu (z lewej) i zwini�ty w rulon bez szwu (poĘrodku). Taka geometria pozwala elektronom
zajmowa� stany tylko w niektórych fragmentach pasm energetycznych grafitu (z pra-
wej). ZaleŻnie od Ęrednicy rurki w dozwolonym paĘmie moŻe znaleę� si� wąska brama
PÓ�PRZEWODNIK
dla elektronów "ącząca pasma walencyjne oraz przewodnictwa i nazywana punktem Fer-
miego. W tym szczególnym przypadku nanorurki mają w"aĘciwoĘci podobne do w"aĘci-
woĘci metali. W przeciwnym razie, jeŻeli dozwolone pasmo nie obejmuje punktu Fer-
miego, nanorurka jest pó"przewodnikiem.
1/3
METAL
2/3
SKRóCONE NANORURKI sprawiają wraŻenie, jakby powsta"y z pasa grafitu wyci�tego
na ukos (z lewej). Przypominają nieco spiral� (poĘrodku). Pasy, na których uk"adają si�
dozwolone stany energetyczne elektronów, równieŻ biegną na ukos (z prawej). W dwóch
trzecich skr�conych nanorurek nie obejmują one punktu Fermiego, dlatego nanorurki te
PÓ�PRZEWODNIK
są pó"przewodnikami.
42 �WIAT NAUKI Luty 2001
W. WAYT GIBBS
(na górze i z boku)
; CLEO VILETT
(arkusze)
; J. CUMINGS i A. ZETTL
University of California Berkeley (rurki)
Nie wszystkie nanorurki w�glowe mają taką samą przerw�
energetyczną, a to dlatego, Że kaŻda z nich ma inny obwód,
który okreĘla charakterystyczny zbiór stanów walencyjnych
i stanów przewodnictwa. W przypadku nanorurek o najmniej-
szej Ęrednicy zbiór dozwolonych stanów energetycznych jest
niewielki, a odleg"oĘci pomi�dzy nimi  znaczne. Wraz ze
wzrostem Ęrednicy roĘnie liczba dozwolonych stanów, a od-
leg"oĘci pomi�dzy nimi maleją. W ten sposób nanorurki róŻ-
niące si� rozmiarem mają przerw� energetyczną róŻnej warto-
Ęci, od zera (jak w metalach) do równie duŻej, jak w krzemie.
W Żadnym innym znanym materiale nie moŻna tak "atwo
zmienia� szerokoĘci przerwy energetycznej. Niestety, na ra-
zie wzrost nanorurek daje ich mieszanin� o przeróŻnej geo-
metrii, a naukowcy poszukują rozwiązał
gwarantujących
otrzymywanie nanorurek konkretnego typu.
Rurki wielowarstwowe o wielu cylindrycznych Ęcianach
mogą zachowywa� si� w sposób jeszcze bardziej z"oŻony, po-
niewaŻ kaŻdą sk"adową charakteryzuje nieco inna geometria.
JeŻeli potrafilibyĘmy indywidualnie dobiera� ich parametry,
moglibyĘmy uzyska� rurki wielowarstwowe samoizolujące,
zdolne do jednoczesnego przewodzenia wielu sygna"ów, coĘ
na kszta"t kabla koncentrycznego w skali nanometrów. Nie
rozumiemy jednak i nie potrafimy w pe"ni kontrolowa� wzro-
NANORURKA
stu nanorurek, ale dzi�ki wbudowywaniu rurek do dzia"ają-
cych obwodów zacz�liĘmy przynajmniej wykorzystywa� ich
podstawowe w"aĘciwoĘci.
Nanoobwody
Kilku zespo"om badawczym, w tym takŻe i nam, uda"o si�
zbudowa� z nanorurek dzia"ające przyrządy elektronowe. W na-
szych tranzystorach polowych (FET  field-effect transistor)
funkcj� kana"u, w którym p"yną elektrony, spe"nia jedna pó"-
przewodząca nanorurka umieszczona pomi�dzy dwiema me-
talowymi elektrodami [ilustracja z prawej na stronie 41]. Prze-
p"yw prądu w kanale moŻna w"ącza� i wy"ącza�, przyk"adając
napi�cie do trzeciej, umieszczonej obok elektrody. Elementy
z nanorurkami pracują w temperaturze pokojowej, a ich para-
metry są zbliŻone do osiąganych w komercyjnych elementach
krzemowych. Nasza i inne grupy wykaza"y na przyk"ad, Że
bramka moŻe zmienia� przewodnictwo zbudowanego z nano-
rurki kana"u tranzystora polowego przynajmniej milion razy, co
jest wynikiem porównywalnym z podobnym tranzystorem
krzemowym. NaleŻy jednak oczekiwa�, Że ze wzgl�du na ma-
"e rozmiary przyrządy wykonane z nanorurek do niezawod-
nej pracy b�dą potrzebowa� mniej energii niŻ ich krzemowe
odpowiedniki. Teoretycy przewidują, Że prze"ącznik o rozmia-
rach nanometrowych móg"by pracowa� z zegarem o cz�stotli-
woĘci co najmniej 1 THz  tysiąc razy szybciej niŻ wspó"czesne
procesory.
Fakt, Że mamy do dyspozycji nanorurki o róŻnych warto-
Ęciach przerwy energetycznej i rodzajach przewodnictwa, da-
NANORURKA
je wiele intrygujących moŻliwoĘci skonstruowania innych na-
noprzyrządów. Na przyk"ad nasz zespó" i inne grupy bada"y
z"ącza pomi�dzy nanorurkami metalicznymi i pó"przewodzą-
cymi i wykaza"y, Że zachowują si� one jak diody, pozwalając
na przep"yw prądu tylko w jednym kierunku. Teoretycznie
z"ącza pomi�dzy nanorurkami o róŻnych przerwach energe-
tycznych powinny dzia"a� jak diody elektroluminescencyjne,
a by� moŻe nawet nanolasery. MoŻna juŻ zbudowa� nano-
uk"ad sk"adający si� wy"ącznie z przewodów, prze"ączników
ULTRACIENKIE PRZEWODY wykonane z nanorurek w�glowych
i elementów pami�ciowych wykonanych ca"kowicie z nanoru-
pozwolą zachowa� miejsce wewnątrz uk"adów scalonych dla wi�kszej
rek i innych cząsteczek. InŻynieria w skali molekularnej mo-
liczby elementów aktywnych i rozwiąza� problemy odprowadzania
Że da� nie tylko odpowiedniki konwencjonalnych przyrzą-
ciep"a i stabilnoĘci. W porównaniu z jednowarstwową nanorurką
dów, ale równieŻ zupe"nie nowe elementy wykorzystujące
o Ęrednicy niewiele powyŻej nanometra ĘcieŻki wykonane z uŻyciem
zjawiska kwantowe. zaawansowanej fotolitografii wydają si� niezmiernie szerokie.
�WIAT NAUKI Luty 2001 43
PHILIP G. COLLINS I PHAEDON AVOURIS
Trzeba jednak podkreĘli�, Że wy- stopadle do pod"oŻa i umieszczona
konujemy pojedyncze egzemplarze w polu elektrycznym zacznie si� za-
naszych obwodów i to z wielkim tru- chowywa� jak piorunochron, który
dem. Sposoby "ączenia nanorurek koncentruje pole elektryczne wokó"
i metalowych elektrod wykorzystane ostrza. Ale w odróŻnieniu od pioru-
przez poszczególne zespo"y róŻnią nochronu, który ma odprowadza�
si� w szczegó"ach, ale wymagają za- prąd do ziemi, nanorurka w zawrot-
stosowania konwencjonalnej litogra- nym tempie emituje ze swojego koł
-
fii do przygotowania elektrod i bar- ca elektrony. Dzi�ki swojej ostroĘci
dziej subtelnych narz�dzi, jak mi- nanorurki emitują elektrony przy
kroskop si" atomowych, do manipu- znacznie niŻszym napi�ciu niŻ elek-
lowania nanorurkami. Niewątpliwie trody z innych materia"ów, a mocne
dzieli nas przepaĘ� od kluczowej dla wiązania pomi�dzy atomami w�gla
przemys"u komputerowego, skom- sprawiają, Że są znacznie trwalsze.
plikowanej i zautomatyzowanej tech- W emisji polowej, jak nazywamy
nologii wytwarzania mikrouk"adów to zjawisko, juŻ od dawna widziano
krzemowych, opartej w znacznym szans� opracowania technologii
stopniu na procesach równoleg"ych. przynoszącej astronomiczne zyski,
Zanim pomyĘlimy o bardziej z"o- dzi�ki której zastąpi si� niewygod-
Żonych obwodach, musimy nauczy� ne i ma"o sprawne kineskopy w tele-
si� hodowa� nanorurki w okreĘlonym wizorach i monitorach komputero-
miejscu, z wybraną orientacją, kszta"- wych równie jasnymi, ale cienkimi
tem i rozmiarem. Naukowcy ze Stan- i oszcz�dzającymi energi� p"askimi
ford University i innych laboratoriów wyĘwietlaczami. Realizacja idei nie
udowodnili, Że nanosząc na pod"oŻe by"a moŻliwa z powodu niedosko-
obszary niklu, Żelaza lub innego ka- na"oĘci emiterów polowych. Dzi�ki
talizatora, umieją okreĘli� miejsca nanorurkom moŻe uda si� pokona�
wzrostu nanorurek. Zespó" z Harvard t� przeszkod� i otworzy� drog� kon-
University znalaz" sposób na "ącze- kurentowi kineskopów i wyĘwietla-
nie nanorurek i nanodrutów krzemo- czy ciek"okrystalicznych.
wych, co pozwala na ich wbudo- PIERWSZE URZŃDZENIA elektronowe oparte na
AŻ dziwne, jak "atwo uzyska� wy-
wywanie w uk"ady wytwarzane kon- nanorurkach to próŻniowe ęród"a Ęwiat"a (na górze)
sokoprądowy emiter polowy z nano-
i kolorowe p"askie wyĘwietlacze graficzne (na dole).
wencjonalną technologią. rurek: wystarczy wymiesza� je z pla-
W obydwu urządzeniach wykorzystano zdolnoĘ�
To wprawdzie niewiele, ale dzi�ki stikiem, a otrzymanym kompozytem
nanorurek do emisji elektronów przy stosunkowo
temu otwiera si� droga do zastosowa- pokry� elektrody i doprowadzi� do
niskim napi�ciu i bez szkody dla nich samych.
nia nanorurek w�glowych jako tran- nich napi�cie. Cz�� nanorurek, te
W praktyce oznacza to oszcz�dno� energii i wi�k-
zystorów i ĘcieŻek "ączących w uk"a- szą niezawodnoĘ�.
skierowane ku przeciwnej elektro-
dach scalonych. Obecnie takie po"ą- dzie, b�dzie emitowa� elektrony. Gru-
czenia mają szerokoĘ� oko"o 250 nm py z Georgia Institute of Technology,
i są wykonywane z metalu. Konstruktorzy chcieliby nadal je Stanford University i inne znalaz"y sposób na hodowanie sku-
zmniejsza�, gdyŻ pozwoli"oby to zmieĘci� wi�kszą liczb� ele- pisk pionowych nanorurek w postaci doĘ� regularnych, nie-
mentów na tym samym obszarze. W dalszym zw�Żaniu ĘcieŻek wielkich siatek. Przy optymalnej g�stoĘci takie skupiska mogą
metalowych przeszkadzają dwa zasadnicze fakty. Po pierw- emitowa� prąd o g�stoĘci nawet 1 A/cm2, co z zapasem wystar-
sze, nie ma zadowalającej metody odprowadzania ciep"a wy- cza do pobudzania luminoforu na ekranie, a nawet do wyste-
dzielanego wewnątrz uk"adu, a wi�c zwi�kszanie g�stoĘci upa- rowania przekaęników mikrofalowych i prze"ączników wy-
kowania prowadzi"oby do jego szybkiego przegrzewania. Po sokiej cz�stotliwoĘci w stacjach bazowych telefonii komórkowej.
drugie, wraz ze zw�Żaniem po"ączenia strumieł
elektronów Dwie firmy obwieĘci"y juŻ, iŻ przygotowują produkty wyko-
staje si� tak intensywny, Że powoduje przemieszczanie si� ato- rzystujące nanorurki jako emitery polowe. Firma Ise Electronics
mów, a w efekcie przepalenie ĘcieŻki jak druta w bezpieczniku. z Ise w Japonii zastosowa"a kompozyty z nanorurkami w pro-
W zasadzie stosując nanorurki, moŻna rozwiąza� obydwa totypowych lampach próŻniowych mogących Ęwieci� w szeĘciu
te problemy. Teoretycy przewidują, Że są one równie dobry- kolorach i z dwukrotnie wi�kszą jasnoĘcią, d"uŻszym czasem
mi przewodnikami ciep"a, jak diament lub szafir, a wst�pne dzia"ania i dziesi�ciokrotnie wi�kszą sprawnoĘcią niŻ trady-
doĘwiadczenia to potwierdzają. Nanorurki mog"yby wi�c cyjne Żarówki. Pierwszy prototyp pracuje bez problemów juŻ
skutecznie odprowadza� ciep"o z g�stej sieci elementów ak- ponad 10 tys. godz. InŻynierowie z Samsunga w Seulu w Ko-
tywnych. PoniewaŻ wiązania pomi�dzy atomami w�gla są rei Po"udniowej nanieĘli cienką warstw� nanorurek na elek-
o wiele mocniejsze niŻ wyst�pujące w metalach, nanorurki trody uk"adu sterującego i przykryli je powleczonym lumino-
mogą przewodzi� prąd o ogromnym nat�Żeniu  najnowsze forem szk"em, uzyskując w ten sposób prototyp p"askiego
pomiary wykazują, Że graniczna g�stoĘ� prądu moŻe si�ga� wyĘwietlacza. Demonstrując wyĘwietlacz w 1999 roku, mieli na-
nawet 1 GA/cm2. Prąd o takim nat�Żeniu spowodowa"by od- dziej�, Że juŻ w 2001 roku ich firma b�dzie gotowa do produk-
parowanie z"ota lub miedzi. cji takich urządzeł
, które jasnoĘcią dorównują kineskopom,
ale zuŻywają zaledwie jedną dziesiątą energii.
�wiecące i niezwyk"e Szczególne w"aĘciwoĘci elektronowe nanorurek ujawniają
si� równieŻ w obiektach tak ma"ych, Że stają si� istotne zjawi-
Nanorurki mają inną interesującą w"aĘciwoĘ�, którą inŻy- ska związane z ich rozmiarami. W odpowiednio ma"ej skali
nierowie zaczynają obecnie wykorzystywa�. W 1995 roku ze- nasze wyobraŻenia o drutach obdarzonych oporem stają si�
spó" z Rice University wykaza", iŻ nanorurka ustawiona pro- nieprawdziwe i trzeba je zastąpi� poj�ciami z mechaniki kwan-
44 �WIAT NAUKI Luty 2001
ISE ELECTRONICS
(na górze)
; SAMSUNG ADVANCED INSTITUTE OF TECHNOLOGY i SAMSUNG SDI
(na dole)
Trzy sposoby wytwarzania nanorurek
Tak czy inaczej trzeba podgrza�
umio Iijima jako pierwszy zobaczy" nanorurki, ale nie ule- zlepki, ale równieŻ przypominające kszta"tem pi"k� noŻną kule,
ga wątpliwoĘci, Że to nie on otrzyma" je po raz pierwszy. czyli fullereny, lub cylindryczne kapsu"y, czyli nanorurki. Na-
SJuŻ neandertalczycy mogli nieĘwiadomie produkowa� ich ukowcy opracowali trzy sposoby otrzymywania sadzy ze znacz-
minimalne iloĘci, kiedy tylko zacz�li rozpala� ogniska, by ogrza� ną zawartoĘcią nanorurek. Niestety, na razie wszystkie te me-
swoje jaskinie. Atomy w�gla wyst�pujące pojedynczo w wyso- tody mają t� samą podstawową wad�: dają mieszank� nanorurek
kiej temperaturze rekombinują, tworząc sadz�, bezkszta"tne o róŻnych rozmiarach, licznych defektach i typach skr�cenia.
WIELKA ISKRA
W 1992 roku Thomas Ebbesen i Pulickel M. Ajayan z Laboratorium Ba-
dał
Podstawowych firmy NEC w Tsukubie w Japonii opublikowali opis
pierwszej metody wytwarzania makroskopowych iloĘci nanorurek. Prze-
pis jest w duchu Frankensteina: dwa pr�ty grafitowe pod"ącz do zasilacza,
zbliŻ do siebie na odleg"oĘ� kilku milimetrów i w"ącz prąd. Pomi�dzy pr�-
tami pojawi si� wy"adowanie "ukowe związane z przep"ywem prądu o na-
t�Żeniu oko"o 100 A, które spowoduje, Że w�giel odparuje w postaci go-
rącej plazmy (z prawej). Jego cz�Ę� skondensuje nast�pnie w postaci
nanorurek.
Typowa wydajno�: Do 30% wagowo
Zalety: Wysoka temperatura i metaliczny katalizator dodany do pr�tów
sprawia, iŻ powstają rurki jedno- i wielowarstwowe bez defektów lub z bar-
dzo ma"ą ich liczbą.
Wady: Rurki są doĘ� krótkie (50 �m lub mniej), a ich rozmiary i orienta-
cja są przypadkowe.
GORŃCY GAZ
Morinubo Endo z Uniwersytetu Shinshu scem wzrostu nanorurek (z lewej). Obec-
w Nagano w Japonii jako pierwszy otrzy- nie starają si� sprząc ze sobą kontrolo-
ma" nanorurki metodą, która jest znana wany wzrost i standardową technologi�
jako CVD (chemical vapor deposition  krzemu.
osadzanie z par związków chemicznych). Typowa wydajnoĘ�: Od 20 do prawie
Przepis jest doĘ� prosty: pod"oŻe w"óŻ 100%
do pieca, ogrzej je do temperatury 600�C, Zalety: Technologi� CVD naj"atwiej spo-
a nast�pnie powoli wpuĘ� gaz bogaty Ęród wszystkich trzech metod zastoso-
w w�giel, na przyk"ad metan. Gaz ule- wa� w produkcji na skal� przemys"ową.
gnie rozk"adowi, uwalniając atomy w�- By� moŻe pozwoli ona wytwarza� nano-
gla, które mogą rekombinowa� w posta- rurki o duŻej d"ugoĘci, niezb�dne do
ci nanorurek. Jie Liu i wspó"pracownicy otrzymania w"ókien przeznaczonych do
z Duke University opracowali niedawno materia"ów kompozytowych.
porowaty katalizator, który  jak twierdzą  sprawia, Że niemal Wady: Otrzymywane rurki są wielowarstwowe, cz�sto z licz-
ca"y w�giel wydzielany z gazu tworzy nanorurki. Nanosząc ka- nymi defektami. W rezultacie ich wytrzyma"oĘ� na rozciąganie
talizator na pod"oŻe zgodnie z ustalonym wzorem, Hongjie Dai jest dziesi�ciokrotnie mniejsza niŻ w przypadku rurek wytwarza-
i jego koledzy ze Stanford University uzyskali kontrol� nad miej- nych metodą wy"adował
"ukowych.
B�YSK LASERA
Kiedy rozesz"y si� wieĘci o odkryciu nanorurek w�glowych, Ri- kiwali interesujących cząsteczek, odparowując metale za po-
chard Smalley i jego wspó"pracownicy z Rice University poszu- mocą impulsów laserowych. Wymienili wi�c w uk"adzie ekspe-
rymentalnym metal na pr�t grafitowy i wkrótce uzyskali nano-
rurki. W tym przypadku gorący gaz atomów w�gla, z którego
WZROST NANORUREK
WIŃZKA Z LASERA MIEDZIANY
tworzą si� nanorurki, powstaje dzi�ki impulsom Ęwiat"a z lase-
KOLEKTOR
ra, a nie wy"adowaniu elektrycznemu (z lewej). Eksperymen-
tując z róŻnymi katalizatorami, grupa zdo"a"a okreĘli� warunki
wzrostu, w których powstaje duŻa liczba nanorurek jednowar-
stwowych.
Typowa wydajno�: Do 70%
Zalety: Wytwarzane są przede wszystkim nanorurki jednowar-
stwowe, których Ęrednic� moŻna kontrolowa� za pomocą tem-
peratury.
Wady: Metoda wymaga zastosowania pot�Żnych i bardzo dro-
GRZEJNIK ATMOSFERA ARGONU PRóT GRAFITOWY
gich laserów.
�WIAT NAUKI Luty 2001 45
OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY
HONGJIE DAI
Stanford University
CLEO VILETT
towej. W królestwie tym, które prawdopodobnie leŻy poza tów ruch elektronów ma charakter  balistyczny , tzn. nie ma
zasi�giem technologii krzemowej, moŻna dokona� wielu za- tam rozpraszania charakterystycznego dla metali  przyczyny
skakujących odkry�, ale b�dzie to wymaga"o znacznie oporu. Kiedy elektrony pokonują d"ugą drog� bez rozprasza-
wi�kszego wysi"ku naukowego niŻ w przypadku nanoobwo- nia, zachowują swoje stany kwantowe i moŻna obserwowa� ta-
dów i emiterów polowych. kie zjawiska, jak interferencja fal elektronowych. Brak rozprasza-
I tak naukowcy zastanawiają si�, jak elektrony poruszają si� nia pozwala zrozumie�, dlaczego w nanorurkach jest zachowany
wzd"uŻ nanorurek. Wydaje si�, Że w nanorurkach bez defek- spin poruszających si� elektronów. (Spin elektronu to jedna
Szansa realizacji
Inne zastosowania nanorurek
0 = fantastyka naukowa
2 = zrealizowano w laboratorium
Nie tylko elektronika
4 = produkt komercyjny
POMYS� PROBLEMY WIARYGODNO��
Mikroskopem si" atomowych z ostrzem w po- Na razie to jedyna i wciąŻ niezbyt szeroko sto-
Sondy chemiczne
i genetyczne staci nanorurki moŻna bada� spiral� DNA i roz- sowana metoda badania w"aĘciwoĘci chemicz-
poznawa� chemiczne markery identyfikujące nych powierzchni. Jest wykorzystywana tylko
3
jeden z kilku moŻliwych wariantów genu wy- w odniesieniu do stosunkowo krótkich odcin-
Identyfikacja
spirali DNA st�pujących w helisie. ków DNA.
Zbudowano i przetestowano uk"ad pami�cio- Nie mierzono czasów prze"ączania, ale szacu-
Pami��
wy w postaci warstwy nanorurek umieszczo- je si�, iŻ graniczna cz�stotliwoĘ� pracy pami�-
mechaniczna
nych na wspornikach. Pod wp"ywem napi�cia ci mechanicznych jest zbliŻona do 1 MHz, czy-
2
niektóre rurki zamykają obwód (stan  1 ), a in- li znacznie mniejsza niŻ we wspó"czesnych
Trwa"a
ne go otwierają (stan  0 ). pami�ciach pó"przewodnikowych.
pami�� RAM
Dwie nanorurki przytwierdzone do elektrod na Taką p�setą moŻna chwyta� obiekty duŻe w po-
Nanomanipulatory
szklanym pr�ciku mogą si� otwiera� lub zamy- równaniu z jej szerokoĘcią, ale potem z powo-
ka� pod wp"ywem zmiany napi�cia. Tak wyko- du znacznej lepkoĘci nanorurek nie sposób wi�k-
2
nanych p�set uŻywano juŻ do manipulowania szoĘci z nich od"oŻy�. Istnieją prostsze i tał
sze
P�sety
o d"ugoĘci 5 �m obiektami o Ęrednicy 500 nm. sposoby otrzymywania nanomanipulatorów.
Pó"przewodzące nanorurki gwa"townie zmie- Nanorurki są niezmiernie wraŻliwe na wiele
Superczu"e
niają swój opór elektryczny pod wp"ywem czynników (wliczając w to tlen i wod�)  wi�c
sensory
alkaliów, halogenów i innych gazów w tempera- prawdopodobnie nie b�dą nadawa� si� do roz-
3
turze pokojowej, co stwarza nadziej� na uzy- róŻniania związków chemicznych.
Tlen przywiera
skanie bardziej czu"ych sensorów chemicznych.
do rurek
Puste wn�trza nanorurek mog"yby spe"nia� Najlepsze uzyskiwane do tej pory wyniki wska-
Pojemniki
funkcj� zbiorników wodoru w wydajnych i ta- zują, Że zdolnoĘ� gromadzenia wodoru si�ga
na wodór i jony
nich ogniwach paliwowych. Mogą teŻ pos"uŻy� 6.5%, co nie wystarcza, aby ogniwa paliwowe
1
do przechowywania jonów litu, umoŻliwiając bu- sta"y si� op"acalne. Badania nad przechowy-
Atomy uwi�zione
dow� akumulatorów o d"ugim czasie dzia"ania. waniem jonów litu są wciąŻ we wst�pnej fazie.
w pustym wn�trzu
Umieszczenie nanorurki na koł
cu ostrza po- Ostrza z nanorurkami moŻna juŻ kupi�, ale są
Wi�ksza zdolno�
rozdzielcza miarowego mikroskopu si" atomowych moŻe one wykonywane r�cznie. Nie zwi�kszają roz-
mikroskopu
zwi�kszy� jego zdolnoĘ� rozdzielczą w pozio- dzielczoĘci w kierunku pionowym, lecz umoŻ-
4
si" atomowych
mie ponad 10 razy, dając lepszą jakoĘ� obrazu liwiają badanie g"�bokich jamek w nanostruk-
bia"ek i innych duŻych cząsteczek. turach, które poprzednio by"y niedost�pne.
Pojedyncze przeciwcia"a IgM
Niezwykle odporne i wytrzyma"e nanorurki do- Cena nanorurek jest wciąŻ 10 1000 razy wyŻ-
Superwytrzyma"e
materia"y dawane do materia"ów kompozytowych  to sza niŻ w"ókien w�glowych uŻywanych obecnie
wizja samochodów odbijających si� w trakcie w materia"ach kompozytowych. Poza tym Ęli-
0
zderzenia lub budynków, które podczas trz�sie- skie nanorurki "atwo przemieszczają si� we-
Maksymalne
deformacje nia ziemi ko"ysa"yby si�, ale nie zawala"y. wnątrz materia"u, który w rezultacie si� rozpada.
W. Wayt Gibbs, dziennikarz Scientific American
46 �WIAT NAUKI Luty 2001
CHERLES M. LIEBER
Harvard University (DNA)
; za zgodą T. RUECKES i in.,
SCIENCE
, tom 289, nr 5476, � 2000 AAAS (RAM); za zgodą C. A. MIRKIN,
SCIENCE
, tom 286, nr 5447, � 1999 AAAS
(nanomanipulatory)
;
J. CUMINGS i A. ZETTL,
University of California, Berkeley (sensory)
; R�DIGER R. MEYER i in.,
University of Cambridge (pojemniki na wodór)
; CHARLES M. LIEBER,
Harvard University (mikroskop skaningowy)
;
za zgodą MIN-FENG YU i in.,
SCIENCE
, tom 287, nr 5453 � 2000 AAAS
(deformacja nanorurek)
z liczb kwantowych opisujących jego stan.)
W"aĘciwoĘci nanorurek w�glowych
Niektórzy naukowcy usi"ują obecnie wyko-
rzysta� t� niezwyk"ą w"aĘciwoĘ� do zbudo-
Si�ganie do granic
wania przyrządów  spintronicznych , czyli
takich, które są czu"e na spin elektronu, a nie
PARAMETR NANORURKA DLA PORÓWNANIA
"adunek, jak w przyrządach elektronowych.
JEDNOWARSTWOWA
Ma"ym rozmiarom nanorurek zawdzi�-
czamy teŻ moŻliwoĘ� sterowania ruchem
�rednica 0.6 1.8 nm Fotolitografia elektronowa
Rozmiar
elektronów z niemal dowolną precyzją. Na-
pozwala uzyska� ĘcieŻki
ukowcy wykazali ostatnio, Że w nanorurkach
o szerokoĘci 50 nm i
wyst�puje zjawisko nazywane blokadą ku-
gruboĘci kilku nanometrów
lombowską  oddzia"ywanie pomi�dzy elek-
tronami praktycznie uniemoŻliwia wprowa-
dzenie do nanorurki wi�cej niŻ jednego
1.33 1.40 g/cm3 G�sto� aluminium
G�sto�
dodatkowego elektronu naraz. By� moŻe
2.7 g/cm3
efekt pos"uŻy do zbudowania tranzystorów
jednoelektronowych, o najwyŻszej czu"oĘci,
jaką moŻna osiągną� w elektronice. Te same
pomiary rzuci"y nieco Ęwiat"a na nie rozwią-
45 GP Odporne na rozciąganie
Wytrzyma"o�
zane problemy wspó"czesnej fizyki. Elektro-
gatunki stali p�kają
na rozciąganie
ny zmuszone do poruszania si� w krał
co-
przy oko"o 2 GP
wo cienkim jednowymiarowym drucie,
zachowują si� tak dziwnie, Że ledwie przy-
pominają normalne elektrony.
Za jakiĘ czas z nanorurek mogą zosta� MoŻna je zgina� pod du- Metale i w"ókna w�glowe
Odporno�
Żym kątem i prostowa� p�kają na granicach ziaren
zbudowane nie tylko mniejsze i sprawniej-
na zginanie
bez uszkodzenia
sze odpowiedniki istniejących juŻ przyrzą-
dów, ale i zupe"nie nowe elementy elektro-
nowe ca"kowicie oparte na zjawiskach
kwantowych. OczywiĘcie, b�dziemy mu-
Szacuje si� na 1 GA/cm2 Drut miedziany przepala
ObciąŻalnoĘ�
sieli o wiele lepiej pozna� niezwyk"e w"a-
si� przy prądzie o g�stoĘci
prądem
ĘciwoĘci nanorurek, zanim zaczniemy je wy-
oko"o 1 MA/cm2
elektrycznym
korzystywa�. Niektóre problemy juŻ wida�.
Wiemy, Że wszystkie przyrządy bazujące
na zjawiskach w skali cząsteczkowej, w tym
Wystarczająca do Ostrza molibdenowe
Emisja polowa
takŻe nanorurki, są niezmiernie wraŻliwe
pobudzenia luminoforu wymagają pola o nat�Żeniu
na szumy wynikające z fluktuacji elektrycz-
w odleg"oĘci 1 �m po od 50 100 V/�m, a ich
nych, termicznych i chemicznych. Nasze
przy"oŻeniu napi�cia 1 3 V czas Życia jest doĘ� krótki
doĘwiadczenia wykaza"y teŻ, Że zanieczysz-
czenia (np. tlen) przy"ączające si� do nano-
rurki wp"ywają na jej w"aĘciwoĘci elektrycz-
Przewiduje si�, Że PrzewodnoĘ� cieplna
Przewodno�
ne. Ten fakt moŻe okaza� si� uŻyteczny
w temperaturze niemal czystego diamentu
cieplna
w konstruowaniu niezmiernie czu"ych de- pokojowej wynosi 3320 W/m � K
tektorów substancji chemicznych, ale sta- si�ga 6000 W/m � K
nowi przeszkod� w budowaniu obwodów
z pojedynczych cząsteczek. To olbrzymie
Stabilne do 2800�C �cieŻki metalowe
Odporno�
wyzwanie zachowa� czysto�, kiedy nawet
w próŻni i 750�C w uk"adach scalonych
na temperatur�
jedna cząsteczka ma znaczenie.
w powietrzu topią si� w temperaturze
W sytuacji tak róŻnokierunkowego roz-
600�C 1000�C
woju nie ulega wątpliwoĘci, Że pytanie, któ-
re trzeba postawi� nie brzmi: czy, ale: kie-
W firmie BuckyUSA Cena z"ota w paędzierniku
dy i w jaki sposób nanorurki w�glowe Cena
(Houston) 1500 dolarów ub.r. wynosi"a oko"o
znajdą swoje miejsce w urządzeniach elek-
za gram 10 dolarów za gram
tronicznych przysz"oĘci.
T"umaczy"
Rafa" BoŻek
Informacja o autorach Literatura uzupe"niająca
PHILIP G. COLLINS i PHAEDON AVOURIS pracują w IBM Thomas J. Watson Research CARBON NANOTUBES AS MOLECULAR QUANTUM
Center, gdzie zajmują si� badaniami w"aĘciwoĘci elektrycznych róŻnych typów nanorurek. WIRES. Cees Dekker; Physics Today, tom 52,
Collins ma wykszta"cenie z zakresu fizyki i inŻynierii elektrycznej zdobyte w Massachusetts nr 5, s. 22-28, maj 1999.
Institute of Techology oraz University of California w Berkeley. Od dwóch lat prac� naukową CARBON NANOTUBES. Specjalny rozdzia" w Phy-
godzi z obowiązkami nauczyciela w liceum, jest takŻe zawodowym instruktorem raftingu. sics World, tom 13, nr 6, s. 29-53; czerwiec 2000.
Avouris jest obecnie szefem zespo"u zajmującego si� nanoproblemami w IBM Research. Otrzy- CARBON NANOTUBES. Mildred S. Dresselhaus,
ma" Nagrod� Feynmana za osiągni�cia w dziedzinie nanotechnologii molekularnej. Jest teŻ Gene Dresselhaus i Phaedon Avouris; Sprin-
zapalonym ornitologiem tropikalnym. ger-Verlag, 2000.
�WIAT NAUKI Luty 2001 47
LAURIE GRACE