تحلیل ساختارهای نانوتیوب های کربنی برای اهداف مهندسی الکترونیک سرعت بالا

با کشف مدارات مجتمع، پیشرفت های خیره کننده ای در چهار دهه، در فناوری های الکترونیکی که بر اساس سیلیکون کار می کردند، اتفاق افتاد. این فرآیند در ابتدا توسط پشتیبانی از ترانزیستورهای ماسفت در ابعاد فیزیکی کوچک بدست آمد که در نهایت منجر به تولیدات موفقیت آمیز بسیاری در ساخت ادوات شد که باعث افزایش چگالی و بهبود عملکردی ترانزیستورها گردید. بیشتر کارشناسان بر این باورند که اگر همین مسیر مقیاس را ادامه دهیم، جوامع اقتصادی و فناوری به زودی در انتهای این دهه به پایان خود خواهند رسید. بنابراین فراهم کردن یک فناوری جدید که با آن بتوانیم سیر فزاینده ی بهبود و عملکردی قطعات را باز هم تأمین نمائیم، حیاتی است. برای رسیدن به این هدف دو راه در پیش روی ماست. ایده ی اول آنکه در کل در این فناوری یک تحول اساسی ایجاد نمائیم، مانند ادوات مولکولی دو پایانه ، اسپینترونیک محاسبات کوانتمی که در آینده ی نزدیک می توان برای ساخت ادوات به آنها تکیه کرد. ایده ی دیگر استفاده از همان ایده ی ترانزیستورهای سه پایه است. منتها با بهره از مواد مختلف، خصوصا نانوتیوب های کربنی که بسیاری از مشکلات موجود در ادوات سیلیکونی را پاسخ می دهند. در حقیقت صنعت الکترونیک سیلیکونی، مواد بنیانی گوناگونی را نظیر sige و soi به صورت تصاعدی تجربه کرده است. این بار جهت بهبود عملکرد قطعات از ترانزیستور بر پایه ی نانوتیوب های تک دیواره استفاده می کنیم که خصوصیات نوری و الکترونیکی را به خوبی بهبود می دهند. از کاربردهای الکترونیکی نانوتیوب ها می توان به cntfetها اشاره نمود که در ساختارهای الکترونیکی به عنوان کلید و در الکترونیک نوری به مانند گسیل دهنده ی نوری یا آشکارسازها استفاده می شوند. برای اینکه عملکرد نانوتیوب ها را در درون قطعات الکترونیکی بررسی نمائیم، ابتدا نیاز است که خود نانوتیوب ها را بشناسیم و به ویژگی های آنها احاطه ی کامل داشته باشیم. نانوتیوب ها یک ماده ی تازه کشف شده هستند که کاملا به صورت اتفاقی در مطالعات روی فولرین کشف شدند و توجهات زیادی را در بسیاری از رشته های علم و فناوری از نقطه نظر ساختار جالب و ویژگی های الکترونیکی و پتانسیل عملکردی در ادوات الکترونیکی در مقیاس نانو، جذب نموده است. لذا ما در این پایان نامه بدنبال تحلیل این ساختارها هستیم که به عنوان مهندس الکترونیک آنها را وارد دنیای الکترونیک نمائیم، بنابراین ابتدا گریزی به ساختار فیزیکی آنها زده ایم، تمامی بردار هائی که یک نانوتیوب بر اساس آنها تعریف می شود یا نسبت به آنها تقارن دارد را بیان می نمائیم. متوجه می شویم که نانوتیوب ها می توانند هم هادی باشند و هم نیمه هادی، آنهم بسته به نوع پیچیده شدن استوانه. این ویژگی یک ویژگی خیره کننده برای الکترونیک است. سپس برای ورود به الکترونیک از دنیای فیزیک باید از درگاه ساختار باند بگذریم. از روش تنگ- بست با تقریب اربیتال تنها، استفاده نمودیم تا به آن برسیم. به اینجا رسیدیم که نانوتیوب ها بر چه اساسی هادی یا نیمه هادی می شوند. سپس چگالی حالت ها را بدست آوردیم و نشان دادیم که این مواد یک بعدی دارای قله های بسیار تیز در انرژی های خاص خواهند بود. بعد از آن تنش مکانیکی را به این مواد اعمال کردیم و متوجه شدیم که باند گاف این مواد مهندسی می شوند. نانوتیوب های زیگزاگ در اثر تنش کشش و فشرده سازی تغییر حالت از نیمه هادی به هادی دارند، در صورتی که برای آرمچیر به دلیل تقارن، هیچ اتفاقی نمی افتد، در حالی که برای تنش پیچشی این اتفاق بر عکس است. در آخرین گام، میدان الکتریکی عرضی را به صورت یکنواخت، به نانوتیوب اعمال نمودیم. باز هم نانوتیوب آرمچیر بدلیل تقارن، هادی بودن خود را از دست نداد. ولی نانوتیوب زیگزاگ نیمه هادی را می توان در میدان های خاص، هادی کرد و یا از هادی به نیمه هادی تبدیل نمود. البته اگر بتوانیم با ایجاد نقص یا ناخالصی، تقارن نانوتیوب آرمچیر را از بین ببریم، آنها نیز به میدان الکتریکی حساس خواهند شد. این مشاهدات خاصیت کلیدزنی نانوتیوب ها را در اثر تنش مکانیکی و میدان الکتریکی نمایش داد.