افزایش ظرفیت حمل بار نانولوله‌های کربنی با استفاده از فرایند بهمنی

محققان دانشگاه ایلینویز از طریق کشیدن نانولوله‌های کربنی تا نقطه پارگی، ظرفیت انتقال بار آنها را تا حد بسیار زیادی افزایش دادند.

محققان دانشگاه ایلینویز از طریق کشیدن نانولوله‌های کربنی تا نقطه پارگی، ظرفیت انتقال بار آنها را تا حد بسیار زیادی افزایش دادند. این میزان بیش از آنچه بود که تاکنون تصور می‌شد.

این محققان نانولوله‌های کربنی نیمه‌رسانا را به سمت آغاز فرایند بهمنی سوق داده (در این فرایند که در مواد نیمه‌رسانا یا عایق اتفاق می‌افتد، میدان الکتریکی به قدری افزایش می‌یابد که الکترون‌ها درون ماده حرکت کرده و با برخورد به مولکول‌ها و اتم‌های دیگر، الکترون‌های آنها را نیز جدا می‌کنند و این فرایند به صورت زنجیره‌ای ادامه و گسترش می‌یابد) و در نتیجه با ایجاد مسیرهای بیشتر برای حرکت الکترون‌ها، تعداد الکترون‌های جاری شده را افزایش دادند؛ این کار شبیه ایجاد یک بزرگراه با چندین خط رفت و آمد است که نسبت به جاده عادی اتومبیل بیشتری می‌توانند در آن حرکت کنند.

این دانشمندان دریافتند که در میدان های الکتریکی بالا (۱۰ ولت بر میکرون)، الکترون‌ها و حفرات پرانرژی می‌توانند زوج‌های الکترون-حفره بیشتری تولید کنند؛ این امر منجر به ایجاد اثر بهمنی شده و در نتیجه حمل‌کنندگان آزاد بار تکثیر یافته و جریان الکتریکی نیز تا زمان گسست نانولوله افزایش می‌یابد.

پاپ، محقق اصلی این پروژه می‌گوید افزایش ناگهانی جریان به دلیل یونیزاسیون اثر بهمنی است؛ این پدیده در دیودها و ترانزیستورهای نیمه‌رسانای خاص در میدان‌های الکتریکی بالا مشاهده می‌شود، اما تاکنون در نانولوله‌ها دیده نشده بود.

در حالی که بیشینه ظرفیت حمل بار نانولوله‌های کربنی فلزی، ۲۵ میکروآمپر اندازه‌گیری شده بود، این ظرفیت برای نانولوله های نیمه‌رسانا کمتر از این مقدار است. پیش‌بینی‌های تئوریک قبلی محدودیت مشابهی را برای رسانایی تک‌باندی در نانولوله‌ها پیشنهاد داده است.

برای مطالعه رفتار جریان، این گروه پژوهشی ابتدا با استفاده از فرایند رسوب‌دهی شیمیایی بخار به همراه کاتالیزورهای آهن الگودهی شده، نانولوله‌های کربنی تک دیواره را رشد دادند. از اتصالات پالادیومی برای اندازه‌گیری‌ها استفاده شد. آنها سپس نانولوله‌ها را در یک محیط عاری از اکسیژن تا نزدیک نقطه گسست، کشیدند.

پاپ می‌افزاید: «ما دریافتیم که ابتدا جریان در نزدیکی ۲۵ میکروآمپر ثابت شده و سپس با افزایش شدت میدان الکتریکی، ناگهان افزایش می یابد. این اندازه‌گیری‌ها چندین بار انجام شده و مشاهده شد که جریان تا نزدیک دو برابر مقدار قبلی (۴۰ میکروآمپر) افزایش می یابد.»

او می‌گوید فرایند بهمنی کارکردهای جدیدی را به نانولوله‌های کربنی نیمه‌رسانا می‌دهد. این فرایند در مورد نانولوله‌های فلزی قابل مشاهده نیست، زیرا برای تکثیر الکترون-حفره نیاز به یک شکاف انرژی است.

جزئیات این کار در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.