Właściwości NW

Ponieważ pierwsze pomiary właściwości magnetycznych, elektrycznych i optycznych NW prowadzono na makroskopowych próbkach zawierających nieuporządkowane nanorurki o różnych wymiarach, otrzymane wyniki często były niepowtarzalne. Obecnie obserwacjom mikroskopowym poddaje się wybrane, interesujące obiekty. Metodą wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej można określić średnice NW, liczbę warstw grafitowych, skrętność; obserwuje się także zakończenia NW, ich wypełnienie, odległości międzywarstwowe (0,34 nm — odpowiadają odległości międzypłaszczyznowej w graficie, refleks (002)), dyfrakcję na powierzchni warstw (refleks (010)) oraz dyfrakcję skośną (110). W cienkich rurkach refleksy (010) ulegają rozmyciu, a ich układ pozwala na określenie skrętności NW. Dyfrakcja elektronowa nie pozwala na odróżnienie NW utworzonych z zawiniętych płaszczyzn grafitowych od NW zamkniętych. Mikroskopia tunelowa umożliwia określenie wymiarów poprzecznych i skrętności NW, a pomiary spektroskopii tunelowej potwierdzają występowanie NW o właściwościach metalicznych i półprzewodzących, pozwalają także określić E_g oraz osobliwości gęstości stanów wynikające ze struktury pasmowej czy zlokalizowane defekty strukturalne i wbudowane domieszki.

W jednościennych NW jest 15 drgań własnych czynnych w rozpraszaniu Ramana. Pomiarom rozpraszania Ramana poddano makroskopowe próbki zawierające różne NW, jak również wyselekcjonowane, ułożone równolegle jednościenne NW. W doświadczeniach obserwuje się silną linię przy 100-300 cm^-1 wynikającą z drgań radialnych NW oraz dwie przy ~1570 cm^-1 i ~1590 cm^-1, wynikające z drgań atomów stycznych do powierzchni NW, odpowiadające poprzecznym i podłużnym fononom optycznym w graficie. Szczególnie ważny w identyfikacji NW jest mod radialny obserwowany w NW (10,10) o energii 165 cm^-1; jego energia zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do zmian średnicy NW. W zakresie przesunięć Ramana 1200-1400 cm^-1 obserwuje się słabsze linie, charakterystyczne dla defektów w graficie, a w NW widoczna jest też jej druga harmoniczna przy ~2640 cm^-1 (co wynika ze zwinięcia płaszczyzny grafitu w cylinder).

M.S. Dresselhaus ze współpracownikami obserwowali widmo Ramana pochodzące od pojedynczych jednościennych półprzewodzących NW o symetrii (n,m) = (10,0) i metalicznych (9,0) zlokalizowanych wcześniej skaningowym mikroskopem elektronowym. W NW o tak małej średnicy (d_(10,10) = 1,356 nm) energia promieniowania pobudzającego i ramanowsko rozproszonego jest bliska odległościom między osobliwościami gęstości stanów elektronowych w paśmie walencyjnym i przewodnictwa w NW, dlatego obserwowane widmo zależy zarówno od gęstości stanów elektronowych, jak i stanów wibracyjnych NW. Analiza widma rozpraszania ramanowskiego zmierzonego przy kilku wartościach energii światła pobudzającego pozwala na pełne określenie struktury NW.

Doniesienia dotyczące oporności elektrycznej NW są bardzo różne, w wielościennych NW, w temp. 300 K obserwowano wartości rzędu 10^-2-10^-3 Ωcm. Przewodność NW rośnie logarytmicznie z obniżaniem temperatury aż do 0,3 K, poniżej jest stała. Obserwowane fluktuacje przewodnictwa w pomiarach magnetooporu wielościennych NW wskazują na ich dwu- a nie jednowymiarowe właściwości, natomiast jednościenne NW mają właściwości jednowymiarowego drutu kwantowego z obserwowalnymi dyskretnymi stanami wynikającymi z kwantowania przestrzennego.

H. Ajiki i współpracownicy pokazali, że w polu magnetycznym H równoległym do osi jednościennych NW wnikający strumień pola magnetycznego Φ wywołuje periodyczne zmiany przerwy energetycznej E_g z okresem kwantu strumienia magnetycznego Φ₀ = hc/e, wynikające z zależności fazy funkcji falowej od strumienia Φ. Tak więc, w rurkach o przewodnictwie metalicznym w polu magnetycznym pojawia się przerwa energetyczna E_g w całym okresie poza n*Φ₀, n = 0, 1, 2..., a w półprzewodzących NW dla pewnych pól magnetycznych E_g = 0. Silne pole H prostopadłe do osi NW zwiększa E_g niezależnie od typu NW. Zaobserwowano (A. Bachtold i inni) efekt oscylacyjnych zmian podłużnego magnetooporu pojedynczej wielościennej NW w funkcji przyłożonego pola magnetycznego w temp. od 0,3 K aż do 70 K (efekt Aharonova-Bohma).

Przenikalność diamagnetyczna uporządkowanych wielościennych NW w polu magnetycznym H prostopadłym do ich osi jest dwukrotnie niższa niż w polu równoległym do ich osi , a ta blisko trzykrotnie mniejsza niż wartość przenikalności magnetycznej grafitu w polu prostopadłym do płaszczyzn grafitowych (równolegle do osi c), tzn.: . Taka zależność związana jest zapewne z ruchem nośników po orbitach cyklotronowych w możliwym w graficie polu H prostopadłym do osi c, a w NW w polu H równoległym do osi rurek.

NW już zostały użyte do konstrukcji doświadczalnych układów elektronicznych. R. Martel i inni pokazali, że wielo- lub jednościenne NW mogą być użyte do konstrukcji tranzystora polowego, w którym prąd elektryczny wzdłuż rurki zależy od napięcia elektrody polowej, a jej przewodność spada o 5 rzędów wielkości przy zmianie napięcia sterującego w zakresie od -2 do -6 V. W innych doświadczeniach pokazano możliwości emisji polowej elektronów z matrycy prostopadle do podłoża NW, emisja rozpoczyna się przy polu 2,5 V/µm i wzrasta do gęstości prądu 2 mA/cm² przy polu 5 V/μm. Zbudowano nawet doświadczalne wyświetlacze, w których emiterem elektronów jest matryca NW.