Materiały przewodzące prąd elektryczny

Do   materiałów   przewodzących   prąd   elektrycznych   zaliczają   materiały,   w   których 

istnieją   nośniki   ładunku,   zdolne   do   swobodnego   poruszania   się   wewnątrz   materiału. 

Przewodniki prądu elektrycznego dzielą na przewodniki pierwszego i drugiego rodzaju. Do 

przewodników  pierwszego rodzaju  odnoszą przewodniki w których nośnikami ładunku są 

elektrony (w półprzewodnikach nośnikami są jeszcze i dziury). Do przewodników drugiego 

rodzaju zaliczają przewodniki z jonowym przewodnictwem.

Metale

Najlepszymi   przewodnikami   (oprócz   nadprzewodników)   elektryczności   są   metale. 

Metale   stanowią   liczną   grupę   materiałów,   do   której   należy   prawie   75%   wszystkich 

pierwiastków oraz wiele związków i stopów tych  pierwiastków. Wszystkie one wykazują 

dużo wspólnych właściwości, spośród których można wymienić:

 nośnikami ładunków elektrycznych w metalach są wolne elektrony, które tworzą „gaz 

elektronowy”;

 dość   duża   i   prawie   niezależna   od   temperatury   koncentracja   elektronów 

przewodnictwa;

 duże przewodnictwo elektryczne (przewodność elektryczna 



 metali jest zawarta w 

granicach 

9

6

10

10



 S/m.);

 silna   absorpcja   światła,   sprawiająca,   iż   metale   są   nieprzezroczyste   i   mają 

charakterystyczny połysk;

 podatność (plastyczność) na zmiany kształtu.

Właściwości metali są związane z charakterem wiązania metalicznego. Jego istotą jest 

oddziaływanie   między   „kolektywizowanymi”   elektronami   przewodnictwa   z   siecią   jonów 

dodatnich.   Znaczna   energia   wiązania   metalicznego   (200   ÷   800   kJ/mol)   zapewnia   dużą 

trwałość   materiału,   tj.   przeważnie   wysoką   temperaturę   topnienia   i   wrzenia,   dużą 

wytrzymałość i twardość, a dzięki bezkierunkowości wiązania dobrą plastyczność.

Wiązanie   metaliczne   nie   wykazuje   żadnego   ukierunkowania   ani   wysycania.   W 

związku   z   tym   liczba   najbliższych   sąsiadów   jest   ograniczona   tylko   możliwościami 

geometrycznymi.   Tym   tłumaczy   się   ten   fakt,   że   metali   mają   struktury   krystaliczne   o 

najgęstszym upakowaniu czyli struktury o dużej liczby najbliższych sąsiadów (dużej liczby 

koordynacyjnej).   Większość   jednoskładnikowych   metali   ma   strukturę   heksagonalną,   lub 

131

regularną   centrowaną   powierzchniowo   z   liczbą   koordynacyjną   równą   12   albo   strukturę 

regularną centrowaną przestrzennie, z liczbą koordynacyjną równą 8 (rys.12.1).

a)

b)

c)

Rys.12.1. Podstawowe struktury struktur metalicznych

Przewodnictwo   metali   nie   zależy   od   liczby   walencyjnych   elektronów   atomów,   z 

których tworzy się pasmo przewodnictwa, ale od liczby elektronów, dla których w górnym 

paśmie przewodnictwa występuje dostateczna liczba wolnych stanów energetycznych.

Przewodnictwo   elektryczne   zależy   od   temperatury   –  ogrzewanie   metalu   powoduje 

zmniejszenie przewodności, czyli zwiększenie oporu elektrycznego i to jest związane z tym, 

że   ze   wzrostem   temperatury   rośnie   amplituda   drgań   jonów   w   sieci   krystalicznej,   a   to 

powoduje, że elektrony częściej napotykają na swej drodze jony metalu i tracą częściowo 

energie kinetyczną, która zwiększa energię oscylacji jonów metalu sieci krystalicznej, przez 

co rośnie temperatura metalu (ciepło Joule’a-Lenza).

Obecność w kryształach metali zanieczyszczeń i różnego rodzaju defektów narusza 

idealną strukturę kryształów co powoduje wzrost liczby ośrodków rozpraszających elektrony, 

a zatem doprowadza do zmniejszenia przewodnictwa.

Metaloidy

Metaloidy   (inna   nazwa  półmetale)   to   są   materiały,   które   posiadają   własności 

pośrednie między metalami i niemetalami. Zaliczają do nich 

As

 (arsen), 

At

(astat),  B (bor), 

Ge

  (german),  

Si

  (krzem),  

Te

  (tellur), czasami  

Al

  (glin),  

Po

  (polon) i   P   (fosfor). 

Półmetale mają szereg cech fizycznych takich, jak połysk, wysokie temperatury topnienia. 

Ale mają gorsze przewodnictwo elektryczne i cieplne niż metali.

Struktury krystaliczne metaloidów, w odróżnienie od zwykłych metali nie odnoszą się 

do   struktur   o   ciasnym   upakowaniu   i   charakteryzują   się   anizotropią   ich   właściwości 

fizycznych.  W punktu widzenia  budowy struktury pasmowej  pólmetale  mają  pasma  dość 

skomplikowanego   kształtu   z   nakrywającymi   się   na   siebie   pasmami   walencyjnymi   i 

przewodnictwa.

132

Materiały zawierające  pierwiastki metaloidów mogą  również  posiadać  właściwości 

półmetalów, jeżeli w ich strukturę pierwiastki metaloidów tworzą warstwy. Przykładami są 

związki 

As

 (arsenu) z metalami grup przejściowych.

Metale amorficzne

Fizyka   metali   amorficznych   wciąż   jest   dość   szybko   rozwijającą   się   nauką. 

Zainteresowanie   metalami   amorficznymi   jest   spowodowane   ich   niezwykłymi 

właściwościami. Ich mechaniczne własności takie, jak twardość, wytrzymałość na zerwanie i 

ścieranie, są kilkakrotnie lepsze niż u najlepszych gatunków stali. Uderzającą jest ich duża 

plastyczność, nie spotykana w zwykłych  materiałach o dużej twardości. Niezwykle  cenna 

właściwością   metali   amorficznych   jest   ich   odporność   na   korozję.   Jest   ona   skutkiem 

jednorodności warstwy przypowierzchniowej, na której tworzy się szczelna powłoka tlenku 

chromu lub innego pierwiastka. 

Podstawowymi składnikami metali amorficznych są pierwiastki metali przejściowych 

żelazu i ziem rzadkich. Jony tych pierwiastków mają własne momenty magnetyczne, wskutek 

czego metali amorficzne wykazują silne właściwości magnetyczne. Łatwość namagnesowania 

próbki i duży opór elektryczny sprawia, że materiały te szeroko wykorzystują się jako rdzeni 

transformatorów i silników.

Proces produkcji metali amorficznych jest znacznie prostszy, niż na przykład proces 

produkcji stali. Wytwarza się je bezpośrednie z fazy ciekłej metodą szybkiego ochładzania, 

podczas gdy w produkcji stali stosuje się 6-8 stadiów pośrednich.

Superjonowe przewodniki

Przewodniki   superjonowe   to   są   ciała   stałe,   w   których   przewodność   elektryczna, 

związana z przemieszczeniem jonów, jest porównywalna (~ 10 S/m) z przewodnością jonową 

stopionych soli oraz ciekłych elektrolitów. Typowe przewodniki superjonowe składają się ze 

sztywnego i nieruchomego szkieletu. We wnętrzu tego szkieletu znajdują się słabo związane 

ze szkieletom jony, które zachowują się podobnie do elektronów w przewodnikach. Podsieć 

jonów ruchomych jest mocno zdefektowana, co ułatwia przemieszczenie jonów. Przewodniki 

superjonowe   znajdują   szerokie   zastosowanie   jako   elektrolity   stałe   w   ogniwach 

elektrochemicznych nowej generacji.

W stosunku do tego jakim jest szkielet przewodnika superjonowego rozróżniają:

 Superjonowe przewodniki o strukturze krystalicznej.
 Superjonowe przewodniki o strukturze amorficznej albo szkliste.
 Polimerowe superjonowe przewodniki.

133

Niektóre krystaliczne przewodniki superjonowe są przedstawione w tabeli 12.1. W tych 

materiałach nośnikami ładunku są jony 



Li

, 

,



Ag

 



Cu

, 



2

O

, 



F  i 



H  (proton). W 

superjonowych   przewodnikach   wszystkie   ruchome   jony   dobudowują   swoją   wewnętrzną 

powłokę elektronową do całkowicie zamkniętej (całkowicie obsadzoną przez elektrony), co, 

właśnie powoduje, że nośniki ładunku są słabo związane z węzłami sieci i zachowują się 

podobnie do swobodnych elektronów w zwykłych przewodnikach.

Tablica 12.1. Przykłady superjonowych przewodników

Materiał

Li

2

CgI

4

 -AgI Ag

4

RbI

5

 -Cu

2

Se

 -CuBr

 -ZrO

2

Przewodność (S/m),

(temperatura, 

0

C)

10

(295)

~ 100 

(150)

0,21

(22)

11

(150)

500

(480)

11

(1000)

Rozróżniają   superjonowe   przewodniki   z   „miękkimi”   i   „twardymi”   karkasami. 

Przykładami „miękkich” superjonowych przewodników są materiały z jonowym wiązaniem 

takie jak 

AgI

, 

CuI

, 

5

4

RbI

Ag

, 

4

2

HgI

Ag

. W ich skład wchodzą jony 

Cu

 i 

Ag

, które 

maja   dość   wysoką   polaryzowalność.   One   wykazują   ostre   przejście   w   stan   superjonowy 

(rys.12.2).   Przykładami   materiałów   z   „twardym”   karkasem   są   materiały   z   kowalentnym 

typem  wiązania:  

5

2

O

V

,  

3

2

O

V

,  

2

TiS

,  

3

WO

,  

3

NiPS

. Te materiały wykazują rozmyte 

przejście w stan przewodnictwa albo w ogóle nie wykazują stanu przewodnictwa.

Rys.12.2. Zależności temperaturowe jonowego przewodnictwa w niektórych superjonowych 
przewodnikach i ciekłych jonowych roztworów. 1-AgCl; 2-CuI; 3-AgBr; 4-PbF

2

; 5-AgI; 6-

Li

4

B

7

O

12

Cl;   7-RbBiF

4

;   8-Li-

 -Al

2

O

3

;   9-Ag

3

SI;   10-Ag

13

(Mo

4

N)

2

I

15

;11-wodny   roztwór   KOH 

(34%); 12-wodny roztwór H

2

SO

4

 (35%); 13- Ag

4

RbI

5

Spośród   superjonowych   przewodników   z   karkasem   krystalicznym   wyróżniają 

materiały, w skład karkasu którego wchodzą albo nie wchodzą ruchome jony. Przykładem 

materiału w którym jony jednego pierwiastku wchodzą w strukturę sztywnego i ruchomego 

134

karkasów   i   powstaje   możliwość   wymiany   jonami   ruchomymi,   jest  

Se

Cu

2

,   w   którym 

ruchomymi  są tylko 25% jonów miedzi. Pozostałe jony miedzi wspólnie z jonami selenu 

tworzą sztywny karkas. Przy zmniejszeniu ilości jonów miedzi w sztywnym karkasie jony 

miedzi karkasu staja się ruchomymi.

W   przypadku   gdy   ruchome   jony   nie   wchodzą   w   skład   karkasu   wymiana   jonami 

pomiędzy podukładem ruchomych jonów i karkasem jest niemożliwa. Przykładem takiego 

materiału jest 

AgI

 (rys.12.3), w którym jony jodu tworzą stabilny karkas, a jony srebra są 

ruchome względem tego karkasu. 

a)

b)

Rys.12.3. a) – struktura 

AgI

; b) – przejście fazowe w stan superjonowy

W   temperaturze   pokojowej   ten   związek   jest   mieszaniną   dwóch   faz   -  

AgI





  i 

AgI





 ze strukturą odpowiednio 

mc

P

3

6

 i 

m

F 3

4

. Przy temperaturze 147

0

C obserwuje 

się   przejście   fazowe   w   nową   fazę   o   strukturze   regularnej   (grupa   przestrzenna  I

m

m3

) 

(rys.12.3.a).  W  tej  fazie  

AgI





  staje  się  przewodnikiem   superjonowym  (rys.12.3b).   W 

komórce elementarnej tej fazy istnieją 42 pozycje (wakanse), w których mogą znajdować się 

dwa jony srebra: 6 pozycji (6b) o oktaedrycznej koordynacji jonami jodu; 12 pozycji (12d) o 

tetraedrycznej  i 24 pozycji (24h) o trygonalnej  koordynacji jonami jodu (rys.12.3a). Przy 

przejściu w stan superjonowy jony srebra „skaczą” po tym pozycjom dzięki czemu szybko 

wzrasta przewodnictwo elektryczne. Podukład ruchomych jonów srebra można rozważać jako 

ciecz, a przejście fazowe 

AgI

 w 



- fazę jako częściowe topnienie kryształu.

135

147°C

Polimery przewodzące

Pierwsze  polimery   przewodzące   prąd   elektryczny  były   nietrwałe,   ponadto 

nierozpuszczalne   i   nietopliwe,   a   przez   to   źle   przetwarzane   w   technologicznie   użyteczne 

formy. Obecnie stan nauki o polimerach przewodzących zmienił się radykalnie. Ze względu 

na mechanizm przewodzenia wyróżniają trzy rodzaje polimerów przewodzących:

 przewodzące   "wzdłuż   głównego   łańcuchu"   -   przewodzenie   odbywa   się   w   nich 

podobnie   jak   w   metalach,   dzięki   istnieniu   pasm   przewodnictwa   powstających   w 

wyniku delokalizacji elektronów w wiązaniach chemicznych; polimery tego rodzaju 

zawierają zwykle układy sprzężonych wiązań wielokrotnych; 

 przewodzące   poprzez   mechanizm   tworzenia   tzw.   kompleksów   z   przeniesieniem 

ładunku;   polimery   tego   rodzaju   zawierają   grupy  boczne   o   strukturze   kompleksów 

zdolnych do przenoszenia ładunku;

 przewodzące jonowo zwane polielektrolitami, w których jony są transportowane przez 

kanały występujące między łańcuchami polimerów.

Polimery  przewodzące  znajdują  zastosowanie   w diodach  elektroluminescencyjnych 

(fotodiody), tranzystorach polowych, ogniwach fotowoltaicznych, kolorowych organicznych 

wyświetlaczach elektroluminescencyjnych (OLED) do telefonów komórkowych, komputerów 

przenośnych,   odtwarzaczy   multimedialnych,   w   laserach   organicznych,   sensorach   (nos 

elektroniczny,   biochipy)   oraz   foliach   pochłaniających   promieniowanie   radarowe   i 

podczerwone. Te ostatnie posiadają właściwości o znaczeniu militarnym, np. w samolotach 

niewidzialnych przez radary czy w tkaninach maskujących żołnierzy przed noktowizorami.

Polimery przewodzące umożliwią otrzymanie układów elektronicznych działających 

szybciej   niż   obecne   i   zużywających   znacznie   mniej   energii.   Rewolucja   technologiczna 

umożliwi budowę tanich przenośnych palmtopów (kieszonkowych komputerów), świecących 

folii, płaskich zwijalnych telewizorów (ekrany takich telewizorów z łatwością można będzie 

zawieszać na ścianie, a po użyciu bezpiecznie zwinąć w rolkę).

Polimery   przewodzące   domieszkowane   wykazują   wysokie   przewodnictwo 

elektryczne,   zbliżone   do   przewodnictwa   metali.   Takie   polimery   mają   zastosowanie   w 

produkcji   trwałych,   lekkich   termicznie   folii   o   własnościach   mechanicznych   plastyku,   a 

przewodzącą prąd prawie tak jak metale.

136

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwem 

nazywamy   zjawisko   całkowitego   zanikania   oporu 

elektrycznego   pewnych   materiałów   przy   ochładzaniu   ich   do   temperatury   bliskiej   zeru 

bezwzględnemu.   Zgodnie   z   teorią   Bardeena-Coopera-Schrieffera   (BCS),   podstawowym 

mechanizmem odpowiedzialnym za nadprzewodnictwo jest tworzenie się związanych ze sobą 

par   elektronów,   które   noszą   nazwę  par   Coopera.   Parę   taką   tworzą   dwa   elektrony   o 

antyrównoległych spinach. Wiązania elektronów w parach są dosyć słabe, stąd ulegają one 

łatwo rozerwaniu gdy nadprzewodnik jest podgrzewany - materiał przechodzi wtedy do stanu 

zwykłego przewodnika. Przy przepływie prądu przez nadprzewodnik elektrony związane w 

parę nie biorą udziału w procesie rozpraszania, czyli ich przepływ odbywa się bez tarcia. Przy 

dużych gęstościach prądu wiązania par mogą ulec rozerwaniu - materiał przejdzie do stanu 

normalnego.

Przez długi czas po odkryciu zjawiska nadprzewodnictwa sądzono, że nadprzewodnik 

to jedynie doskonały przewodnik, tzn. przewodnik pozbawiony oporu elektrycznego. Okazało 

się,   że   charakteryzuje   się   on   drugą   podstawową   własnością:   jest   doskonałym 

diamagnetykiem. Niezależnie od tego czy zewnętrzne pole magnetyczne zostało nałożone na 

przewodnik   przed   wejściem   w   stan   nadprzewodnictwa   czy   po   przejściu,   indukcja 

magnetyczna wewnątrz nadprzewodnika jest zawsze równa zeru. Zjawisko to odkryte w roku 

1933 przez Meissnera nazwano zjawiskiem Meissnera. 

Mechanizm wypychania strumienia magnetycznego z wnętrza próbki polega na tym, 

że w chwili jej przejścia w stan nadprzewodnictwa na powierzchni nadprzewodnika wzbudza 

się trwały prąd elektryczny, który wytwarza własne pole magnetyczne, kompensujące do zera 

pole   magnetyczne   istniejące   poprzednio   wewnątrz   materiału.   Ten   powierzchniowy   prąd 

elektryczny nazywany jest prądem Meissnera lub prądem ekranującym, jak gdyby ekranuje 

wnętrze nadprzewodnika od pola zewnętrznego. Na zewnątrz nadprzewodzącej próbki pole 

magnetyczne pochodzące od prądu Meissnera nakłada się na pole pierwotne i tworzy wspólne 

pole wypadkowe - linie tego pola wypadkowego opływają próbkę nadprzewodzącą.

W   warstwie   przypowierzchniowej   nadprzewodnika   indukcja   pola   magnetycznego 

zmienia się od wartości, która istnieje na zewnątrz nadprzewodnika, do zera w jego głębi, 

według funkcji eksponencjalnej:  

)

/

exp(

)

0

(

)

(



x

B

x

B





. Odległość  



 można uważać za 

efektywną   głębokość   wnikania   pola   magnetycznego.   Głębokość   wnikania  



  zależy   od 

temperatury - gdy temperatura zbliża się do temperatury przejścia w stan nadprzewodzący (

k

T

),   głębokość   wnikania   rośnie.   Oznacza   to,   że   w   miarę   zbliżania   się   do  

k

T

  pole 

137

magnetyczne stopniowo wnika coraz głębiej w nadprzewodnik i w chwili przejścia w stan 

normalny cała objętość nadprzewodnika jest już zajęta przez pole. Głębokość wnikania w 

temperaturze   zera   bezwzględnego  

)

0

(



T



  jest   ważną   stałą,   charakteryzującą   dany 

nadprzewodnik Wartość jej zależy od czystości materiału - zwiększa się ze zwiększeniem 

koncentracji domieszek. Dla czystych metali 

)

0

(



T



 jest równa ok. 10

-8

 m, dla niektórych 

stopów może też być nawet o dwa rzędy większa.

Materiały nadprzewodzące, którymi dysponowali pierwsi badacze nadprzewodnictwa, 

charakteryzowały się małymi wartościami indukcji pola krytycznego, rzędu kilkuset gaussów 

(1   Gauss   =   10

-4

  T).   Były   to   czyste   metale,   jak:   ołów,   rtęć,   cyna,   aluminium.   W   latach 

trzydziestych zauważono, że stopy pewnych metali (np. ołów z bizmutem) lub też pewne 

związki   międzymetaliczne   wykazują   właściwości   nadprzewodzące   o   znacznie 

korzystniejszych  parametrach krytycznych  Nazwano je nadprzewodnikami "twardymi"  lub 

nadprzewodnikami   "II   rodzaju"   w   odróżnieniu   od   nadprzewodników   "miękkich"   (lub   "I 

rodzaju"), jak nazwano pierwszą  grupę nadprzewodników Z  czystych  metali,  z uwagi  na 

mechanizm   występujących   w   nich   zjawisk   fizycznych,  

Nb

  (niob),  

V

  (wanad)   i  

Tc

 

(technet) zalicza się również do nadprzewodników II rodzaju.

Zasadnicza   różnica   między   nadprzewodnikami   I   i   II   rodzaju   polega   na   różnym 

mechanizmie  przewodzenia  prądu  i  zachowywaniu   się  w  stosunku  do zewnętrznego  pola 

magnetycznego.   W   nadprzewodniku   I   rodzaju,   prąd   płynie   jedynie   w   bardzo   cienkiej 

warstwie na powierzchni nadprzewodnika, o grubości rzędu 10

-8

  m. Na tę samą głębokość 

wnika pole magnetyczne. W nadprzewodniku II rodzaju pole wnika na głębokość zależną od 

wartości indukcji pola.

Dobry   materiał   nadprzewodzący   powinien   spełniać   cztery   wymagania   - 

charakteryzować   się:   możliwie   wysoką   temperaturą   krytyczną;   możliwie   dużym   polem 

krytycznym; możliwie dużą krytyczną gęstością prądu i łatwą i tanią technologią.

Pierwsze   trzy   wymagania   spełniają   jedynie   nadprzewodniki   II   rodzaju.   A  więc   w 

praktycznych   zastosowaniach   jako   materiałów   nadprzewodzących   używa   się   dzisiaj 

wyłącznie nadprzewodników II rodzaju.

W   końcu   lat   80-tych   nastąpiło   znaczne   przyspieszenie   w   uzyskiwaniu   nowych 

materiałów   nadprzewodzących.   W   laboratoriach   IBM   uzyskano   w   1986   roku   zjawisko 

nadprzewodnictwa   w   tlenku   lantanowo-barowo-miedziowym   (

2

2

CuO

Ba

La

x

x



),   przy 

temperaturze 35 K. Wkrótce zaobserwowane nadprzewodnictwo w związku 

x

O

Cu

YBa



6

3

2

 

w temperaturze 90 

0

K, a więc powyżej temperatury ciekłego azotu.

138

Materiały węglowe

Zdaniem wielu naukowców przyszłością elektroniki są materiały na bazie węgla, a 

dokładniej jego odmian, czyli grafitu i diamentu. Już nie tylko nanorurki węglowe i fullereny 

są typowane na następców materiałów dotychczas używanych w elektronice - odkrywane są 

też nowe odmiany węgla, między innymi grafen, które pod wieloma względami, na przykład 

właściwości termicznych i przewodnictwa elektrycznego, przewyższają krzem i miedź.

Nanorurki,  fullereny, a zwłaszcza  grafen, to stosunkowo „młode”  materiały,  a ich 

właściwości   są   dopiero   poznawane   i   ciągle   zaskakują   naukowców.   Ze   wszystkich 

wymienionych odmian węgla zdecydowanie najlepiej poznaną jest diament – prace nad jego 

wykorzystaniem na masową skalę w komercyjnych układach elektronicznych trwają już od 

ponad 20 lat.

Ze względu na bardzo dużą przewodność cieplną diamentu od dawna prowadzone są 

badania nad zastosowaniem tego materiału do zwiększenia możliwości odprowadzania ciepła 

w układach elektronicznych. W miarę wzrostu gęstości upakowania układów elektronicznych 

cieplne właściwości tlenków krzemu stosowanych w tradycyjnych strukturach SOI (Sillicon 

on Insulator) okazują się niewystarczające. Dlatego wprowadzane są modyfikacje, w których 

używane są płytki diamentowe.

Naukowcy pracują też nad urządzeniami elektronicznymi opartymi na syntetycznych 

diamentach. Domieszkowanie tego izolatora azotem pozwala uzyskać dużą przewodność. 

Ponadto domieszki nie są w tym przypadku wprowadzane bezpośrednio do sieci krystalicznej, 

ale są umieszczane między nanocząstkami ziaren węgla i dzięki temu nie ulegają przemianie 

w grafit. Domieszkowanie oraz modyfikacje tego procesu pozwalają zmieniać przewodność 

elektryczną nanokrystalicznych powłok diamentowych o kilka rzędów wielkości.

Fullereny 

x

C

 (



,

70

,

60



x

) są nową odmianą alotropową węgla. Charakteryzuje je 

wytrzymałość   na   wysokie   temperatury   i   ciśnienie,   a   domieszkowanie   pozwala   uzyskać 

fullereny o elektrycznych  właściwościach izolatorów, półprzewodników, przewodników, a 

nawet   nadprzewodników.   Fullereny   domieszkowane   metalami   alkalicznymi,   na   przykład 

rubidem, stają się przewodnikami, z kolei domieszkowanie potasem, w zależności od jego 

ilości, sprawia, że fullereny uzyskują właściwości nadprzewodnictwa lub stają się izolatorem. 

Dzięki temu  fullereny  znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach elektroniki. Dotychczas 

wykorzystano   je   na   przykład   w   połączeniu   z   polimerami   w   ogniwach   słonecznych,   w 

ogniwach paliwowych oraz urządzeniach optoelektronicznych. 

139

Nanorurki   węglowe,   czyli   struktury   w   kształcie   pustych   grafitowych   walców   o 

średnicy w granicach kilku nanometrów odkryto nieco później niż fullereny (w 1991 roku). 

Właściwości   elektryczne   nanorurki   zależą   od   ich   struktury:   średnica   i   stopień   skręcenia 

decydują   o   tym,   czy   nanorurka   jest   metalem,   czy   półprzewodnikiem.   Ponadto   nanorurki 

charakteryzuje   bardzo   dobra   przewodność   cieplna.   Z   punktu   widzenia  zastosowania 

nanorurek w elektronice kluczowa okazuje się jednak zdolność do przewodzenia prądów o 

bardzo dużych gęstościach, znacznie przekraczających możliwości innych przewodników.

Na początku 2009 roku naukowcy z uniwersytetu  w Manchasterze udowodnili, że 

grafen reaguje z innymi substancjami, tworząc nowe struktury o właściwościach szczególnie 

użytecznych  w elektronice. W ten sposób udało im się uzyskać nowy materiał –  grafan, 

będący modyfikacją grafenu powstałą w wyniku jego połączenia z wodorem. Uzupełnienie 

sieci   atomów   węgla   atomami   wodoru   nie   zmieniło   tak   charakterystycznej   dla   grafenu 

dwuwymiarowej struktury, jednak diametralnie zmieniło jego właściwości. Nowy materiał 

(grafan), w przeciwieństwie do dobrego przewodnika, jakim jest grafen, stał się izolatorem. 

Oprócz  efektu  w postaci   nowego  materiału   odkrycie  grafanu  dowiodło,  że  grafen  można 

modyfikować chemicznie na różne sposoby, co w przyszłości może zaowocować odkryciem 

wielu   nowych   materiałów.   Mimo   że  grafen  w   czystej   postaci   jest   doskonałym 

przewodnikiem,   to   możliwość   wpływania   na   jego   właściwości   elektryczne   metodami 

chemicznymi jest olbrzymią zaletą i w przyszłości znacząco ułatwi konstruowanie urządzeń 

elektronicznych.   Na   przykład   okazało   się,   że   grafen   naniesiony   na   materiał   utleniony 

wykazuje   właściwości   półprzewodnika,   natomiast   na   materiale   uwodornionym   ma 

właściwości   metalu.   W   przyszłości   grafen   (i   jego   odmiany)   będzie   prawdopodobnie 

podstawowym materiałem do budowy superszybkich układów scalonych nowej dziedziny – 

nanoelektroniki.

140