Применения УНТ и фуллеренов в информатике

Сенсоры на основе УНТ

Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Ведь они значительно "острее" чем даже острейшие зонды, сформированные с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины.

УНТ с металлической проводимостью успешно используют также в качестве наноэлектродов. Прикладывая к такому электроду небольшое электрическое напряжение, его можно использовать как нанопинцет: с его помощью притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.

В сканирующих силовых микроскопах используют также возможность "функционализации" УНТ. В этом случае к острию УНТ нанозонда присоединяют химически специфическую молекулу, обладающую свойством молекулярного распознавания и поэтому позволяющую реализовать растровую "химическую" микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает в первую очередь химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом".

"Функционализированный" зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. Такой зонд может "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к присоединенному к его острию олигомеру.

Если к острию УНТ нанозонда присоединить группу "", то острием такого зонда становится протон с радиусом закругления порядка 1фм (10^-15 м). А это дает уникальную возможность "ощущать" и досконально изучать пространственную структуру и силовые поля отдельных атомов и молекул.

Функционализация УНТ позволяет превратить построенные на них резисторы и транзисторы в чувствительные наносенсоры. Принципиальная схема одного из таких сенсоров показана на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Принципиальная схема наносенсора на основе функционализированного полевого УНТ транзистора

Здесь поверх полупроводниковой УНТ, которая служит каналом полевого транзистора, нанесен промежуточный мономолекулярный слой. Он выполняет роль диэлектрика и одновременно создает благоприятные условия для осаждения (иммобилизации) на поверхность УНТ молекул лиганда, избирательно чувствительных к заданному аналиту. Если в среде над чувствительным участком сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. В результате этого зарядовое состояние последних изменяется, что заметно влияет на электрический ток сквозь УНТ. И чем выше концентрация частиц аналита в окружающей среде, тем большее их число присоединяется к молекулам лиганда, и тем более заметны изменения тока стока транзистора.

Такой сенсор был использован, например, для выявления взрывчатых веществ, в частности, нитро-ароматических соединений, входящих в состав тринитротолуола. Лигандом, специфически чувствительным к таким соединениям, были белковые фрагменты, выделенные из пчелиного яда. Сенсор "реагировал" на появление в окружающей среде даже одной молекулы тринитротолуола и оказался намного эффективнее всех других сенсоров, используемых для выявления взрывчатки в аэропортах.

Еще один пример – сенсор на УНТ для диагностики рака молочной железы. В этом случае для функционализации УНТ использовали антитела, специфические к нанорецепторам, обычно присутствующим на поверхности раковых клеток. На рис. 6.22 показано изображение УНТ с иммобилизованными антителами, полученное с помощью атомного силового микроскопа. Диаметр УНТ здесь порядка 10 нм. При контакте с раствором, в котором имеются живые раковые клетки, антитела связываются с ними, из-за чего электрический ток сквозь УНТ заметно уменьшается. Это позволило диагностировать рак молочной железы или рак кожи еще на ранних стадиях.

Рис. 6.22. Изображение антител, иммобилизованных на УНТ транзистора, полученное в атомном силовом микроскопе

Предложено также использовать функционализированные таким образом УНТ как контейнеры для адресной доставки противоракового лекарства в раковые клетки. С этой целью действующее вещество вводят в полость УНТ. Циркулируя в организме человека, такая УНТ, встретив живую раковую клетку, специфически связывается благодаря антителу с соответствующими нанорецепторами на ее поверхности. И тогда действующее вещество начинает постепенно диффундировать из открытой УНТ в раковую клетку, нарушая ее метаболизм и таким образом уничтожая.

Если полупроводниковую УНТ, являющуюся каналом полевого транзистора, покрыть тонким слоем фоточувствительного полимера, то и транзистор становится фоточувствительным. На рис. 6.23 для примера приведены передаточные характеристики такого фоточувствительного полевого транзистора на УНТ с длиной канала 100 нм при напряжении 0,4 В между истоком и стоком. Вдоль горизонтали отложен потенциал затвора (относительно истока), вдоль вертикали – электрический ток стока. Кривая 1 показывает зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе до нанесения фоточувствительной полимерной пленки. Кривая 2 – это контрольная зависимость при освещении полевого транзистора внешним светом. Кривая 3 – это "темновая" зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе после нанесения фоточувствительной полимерной пленки толщиной около 5 нм.

Рис. 6.23. Зависимости электрического тока сквозь УНТ полевого транзистора от потенциала затвора: 1 и 2 – УНТ не покрыта; 3 и 4 – УНТ покрыта пленкой фоточувствительного полимера; 1 и 3 – "темновые" зависимости; 2 и 4 – при освещении

Относительно кривой 1 наблюдается сдвиг приблизительно на 1,2 В вдоль горизонтальной оси. Кривая 4 – это передаточная характеристика того же полевого транзистора при освещении (длина волны 457 нм, интенсивность 60 мкВт/мм²). Видно, что при освещении транзистор полностью открывается. При потенциале затвора 2 В фототок составляет приблизительно 10^-6 А при темновом токе около 10^-10 А, т.е. наблюдается рост на 4 порядка величины. Такие транзисторы могут применяться как очень малые и вместе с тем чувствительные фотодетекторы.

Интересно, что, если перед нанесением фоточувствительной полимерной пленки нанести на УНТ тонкий (2-3 нм) слой окисла, в котором имеются глубокие ловушки электронов, то полевой транзистор начинает действовать как фотодетектор с памятью. Открытый транзистор остается открытым и после выключения света, и после выключения питания. В принципе это позволяет построить большие интегральные фоточувствительные матрицы с энергонезависимой памятью – аналог фотопластинки, но с нанометровой разрешающей способностью и с возможностью восстановления.

Упругие свойства УНТ использовали для создания суперчувствительных весов. Функциональная схема таких весов показана на рис. 6.24. Один конец УНТ жестко закреплен на электроде Эл1, другой конец – свободен. Возле него формируют второй электрод Эл2. Если на этот электрод подать переменное напряжение с частотой, близкой к частоте собственных упругих колебаний УНТ, то возбуждаются электромеханические колебания, и сквозь УНТ течет переменный электрический ток с частотой этих колебаний .

Рис. 6.24. Функциональная схема суперчувствительных весов на УНТ

Напряжение на последовательно включенном резисторе усиливается в блоке У, а в блоке ИЧ измеряется частота. На зависимости амплитуды тока от частоты наблюдается ярко выраженный резонанс на частоте собственных механических колебаний УНТ.

Если выключить источник переменного напряжения и осадить на УНТ наночастицу, то суммарная масса изменится. И при включении источника переменного напряжения резонанс будет наступать уже на несколько меньшей частоте . Разность , которую можно измерять с высокой точностью, пропорциональна добавленной массе.

Подобные нановесы были изготовлены, например, в Berkeley National Laboratory (США). В них использовалась УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм. Нановесы работали в высоком вакууме. Для оценки их чувствительности использовали термическое напыление на УНТ отдельных атомов золота. Эксперименты подтвердили чувствительность таких весов кг/Гц или , где – масса одного атома золота. Предыдущий рекорд чувствительности, достигнутый в микровесах на кремниевом нанокантилевере, был перекрыт сразу на несколько порядков. Такие нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.

Опишем еще одно интересное применение УНТ в сенсорике. Здесь используются малые размеры УНТ и связанная с этим их повышенная способность к холодной эмиссии электронов, о чем шла речь в предыдущей лекции. Это позволило создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований, функциональная схема которого показана на рис. 6.25. На электроде Эл выращен массив УНТ, ориентированных перпендикулярно к его поверхности. На расстоянии порядка 2 мм расположен металлический сетчатый анод.

Рис. 6.25. Функциональная схема миниатюрного рентгеновского аппарата

Когда между анодом и катодом Эл приложено высокое напряжение, из шапок УНТ начинается холодная эмиссия электронов. Ускоряясь в электрическом поле анода до энергии порядка 1 кэВ, электроны проходят сквозь сетку и бомбардируют медный антикатод, расположенный на расстоянии порядка 2 мм от сетки. Пучок рентгеновских лучей от антикатода, ограниченный регулируемой апертурной диафрагмой, делают узким, чтобы минимизировать облучение соседних тканей.

Проходя сквозь объект исследования, рентгеновский пучок попадает на миниатюрную рентгеновскую видеокамеру, сигналы от которой позволяют формировать увеличенное изображение на мониторе компьютера. Благодаря малым размерам (порядка 10 мм) источника рентгеновских лучей, обведенного на рисунке штриховой линией, мощность, потребляемая при исследовании, в этом случае совсем невелика (порядка 1 Вт). Практически отсутствует нагрев антикатода и значительно уменьшается доза рентгеновского облучения при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.

Устройства отображения информации на основе УНТ

Способность УНТ к холодной эмиссии электронов с успехом используют в информатике также и для построения новых, более эффективных устройств отображения информации.

Структура типичного пикселя цветного плоского монитора на основе холодных катодов с УНТ показана на рис. 6.26. На подложке 1 сформированы металлические катодные электроды 2, на которых вертикально выращены УНТ 3 с металлической проводимостью, специально легированные для уменьшения работы выхода электронов. Дальше нанесен толстый слой диэлектрика, в котором вытравлены "окна" к УНТ катодам, а сверху сформированы электроды-модуляторы 5. Между ними сформированы металлические экраны 6, предотвращающие попадание эмиттированных электронов в соседние ячейки. Сверху устанавливают стеклянную пластину 7, на внутренней поверхности которой сформирован прозрачный электропроводящий слой 8 (обычно окисел иридия-олова). На него нанесены катодолюминесцентные "мишени", которые при бомбардировке быстрыми электронами светятся красным (мишень 9), желто-зеленым (мишень 10) и синим (мишень 11) цветом.

Рис. 6.26. Структура одного "пикселя" цветного плоского монитора на основе УНТ: 1 – подложка; 2 – катодные электроды; 3 – УНТ (холодные катоды); 4 – изолятор; 5 – электроды-модуляторы; 6 – экранирующие электроды; 7 – стеклянная пластина; 8 – прозрачный электропроводящий слой; 9 – красный, 10 – желто-зеленый, 11 – синий люминофоры; 12 – распорки

Периодически расположенные распорки 12 обеспечивают заданное расстояние между катодами 3 и анодом 8 (до 1 мм). Между пластинами 1 и 7 создается вакуум и внутреннее пространство тщательно герметизируют. Это необходимо потому, что атомы газа, если они присутствуют в этом пространстве, при бомбардировке электронами ионизируются, положительно заряженные ионы ускоряются и бомбардируют холодные катоды, что приводит к их постепенному разрушению. Для долговременного поддержания вакуума внутри монитора оставляют также специальные геттеры, поглощающие одиночные атомы газов, которые таки "умудряются" иногда проникнуть внутрь.

Во время работы на катодные электроды 2 и УНТ подают отрицательное напряжение до 50-200 В относительно анода 6. Начинается холодная эмиссия электронов с УНТ. Электроны ускоряются электрическим полем и летят к аноду 6. Электронные "лучи" условно показаны на рисунке штриховыми линиями. Попадая на соответствующий слой люминофора (9-11), они вызывают излучение соответствующего света (красного, желто-зеленого, синего). Для управления интенсивностью излучения используют электроды-модуляторы 5. Размещенные очень близко (~1 мкм) к холодным катодам, они довольно сильно влияют на величину тока электронной эмиссии уже при напряжениях порядка 1-10 В. Напряжение на электродах-модуляторах 5 задается согласно поданному видеосигналу соответствующими транзисторами с плавающим затвором, которые на рисунке не показаны. Сформированное изображение наблюдается со стороны стеклянной пластины 7. Световое излучение красного, желто-зеленого, синего люминофоров в совокупности определяет тот или другой цвет и яркость соответствующего пикселя.

Размеры пикселей могут быть довольно малыми – до 10 х 10 мкм, что обеспечивает разрешающую способность до 100 линий/мм. Возможная скорость изменения изображения определяется лишь электронными схемами распределения сигналов. Показано, что на мониторах с УНТ можно эффективно воссоздавать очень динамичные эпизоды, которые даже не способен воспринимать человеческий глаз.

УНТ с металлической проводимостью помогают также удешевить сенсорные экраны. Такие экраны ( рис. 6.27) отличаются тем, что в них над площадкой, на которой формируется изображение, наносят матрицу из прозрачных электродов.

Рис. 6.27. Сенсорный экран

Притрагиваясь к тому или другому элементу изображения мы изменяем электропроводность или электрическую емкость между соответствующими электродами, благодаря чему компьютер "понимает" поданную нами команду. Уже найдены такие смеси УНТ с электропроводящими полимерами, которые успешно сочетают достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой изготовления.