15.3. Наноактуаторы

Актуаторы – устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую или наоборот.

Известно, что однослойные углеродные трубки при сообщении им электрического заряда деформируются. Созданный с использованием данного свойства актуатор использует лист из однослойных углеродных трубок и работает так, как показано на рис. 15.5. Изображенный актуатор называется биморфным пьезокантилеверным, потому что его отклик зависит от полярности приложенного напряжения. Строго говоря, такое устройство не является ни NEMS, ни MEMS-устройством, так как электроды имеют слишком большой размер.

Рис. 15.5. Биморфный пьезокантилеверный актуатор

Для описания поведения актуаторных устройств так же применяют термин резонансная частота актуатора f₀, которая определяется как:

, (15.1)

где Е – модуль Юнга; ρ – плотность материала актуатора, b – толщина трубки, L – ее длина.

Заметим, что частоты актуатора могут составлять сотни килогерц, если рассматривать микрометровые размеры. Если L = 10 нм, b = 1 нм, то f₀ ~ 20-30 ГГц. Однако амплитуды таких колебаний невелики и детектировать их крайне сложно. Так, например, оптические методы неприменимы из-за дифракционного предела, который наступает, когда размер объекта, от которого отражается свет меньше, чем длина волны света. Поэтому для регистрации перемещения в NEMS-устройствах обычно используют специальный преобразователь, детектирующий перемещение по изменению емкости системы. Однако до сих пор не ясно, можно ли сконструировать и построить преобразователь, который будет определять смещения ~ 10⁻¹⁵ – 10⁻¹² м на частотах ~ 30 ГГц.

Описанные проблемы существенно ограничивают промышленное применение NEMS-устройств. Существует, однако, несколько заслуживающих внимание преимуществ NEMS-приборов, которые создают хорошие перспективы их развития. Малая эффективная масса нанотрубки или балки делает ее резонансную частоту чрезвычайно чувствительной к незначительным изменениям массы. Было показано, что собственная частота кантилеверов может реагировать на адсорбцию небольшого числа атомов или единых молекул на поверхности. Такая особенность стала принципиальной основой для множества высокочувствительных датчиков.

Для описания механических движений кантилевера в принципе возможен подход, как к системе ″груз-пружинка″ из классической механики.

Пусть у нас отсутствует сила трения – это означает, что груз колебался бы бесконечно долго с постоянной амплитудой. Однако из-за сопротивления воздуха и внутреннего трения в пружине этого не происходит. Обычно сила трения (демпфирующая сила) пропорциональна скорости dx/dt осциллирующей массы M. Уравнение движения такой системы записываются в виде

, (15.2)

где k – жесткость пружины. При малых коэффициентах затухания b, решением этого уравнения является выражение

, (15.3)

где – частота затуханий колебаний.

Последнее уравнение описывает систему, осциллирующую с определенной частотой ω и амплитудой, экспоненциально уменьшающейся со временем. Очевидно, что для колеблющейся закрепленной балки миллиметрового размера главным источником демпфирования является сопротивление воздуха, пропорциональное площади балки. Для случая нанометрового кантилевера эта площадь будет очень маленькой, что значительно понижает коэффициент затухания b.

Если к гармоническому осциллятору приложена внешняя осциллирующая сила F₀ cos (ω't), то при ω ₀ = ω' = (k/M)^-1/2 происходит очень большое увеличение амплитуд, т.е. наступает резонанс. Добротность Q для резонанса определяется выражением Q = ω₀/∆ω, где ∆ω – ширина резонансного пика на его полувысоте; ω₀ - резонансная частота. Добротность – запасенная энергия, отнесенная к рассеянной энергии за цикл (т.е. 1/Q – есть мера рассеяния энергии).

Наноразмерные кантилеверы имеют очень высокие значения добротности Q и при колебаниях рассеивают очень мало энергии. Кроме того, они обладают низким уровнем термомеханических шумов, что означает возможность достижения высокой реальной чувствительности прибора. Для сравнения – в обычных электрических устройствах значение Q~100÷300 является очень высоким, тогда как NEMS-осцилляторы могут иметь Q~10000÷30000. Другое очень важное преимущество NEMS-устройств – очень маленькое энергопотребление: ~10⁻¹²Вт.

В настоящее время для оценки возможности создания наноустройств все шире используется компьютерное моделирование. Так, например, выглядят ″шестеренки″ нанодвигателя из нанотрубок:

Рис. 15.6. Шестеренка нанодвигателя

Собственно зубьями выступают молекулы бензола, присоединенные с внешней стороны нанотрубки. Приложение внешнего переменного электрического поля, заставляет такую шестеренку вращаться. Например, для перекатывания шестеренки из молекулы С₆₀ по поверхности ионного кристалла KCl используется электрическое поле переменной направленности, как показано на рис. 15.7.

Рис. 15.7. Вращение молекулы С₆₀ по поверхности ионного

кристалла КСl с помощью переменного электрического поля

Приложение электрического поля будет поляризовывать молекулу С₆₀, перемещая положительные и отрицательные заряды на противоположные стороны сферы. Поскольку молекула имеет большую поляризуемость и большой диаметр, то индуцируется большой электрический дипольный момент. Если взаимодействие между дипольным моментом и приложенным электрическим полем больше, чем взаимодействие между молекулой и поверхностью материала, то вращение вектора Е вызовет перекатывание молекулы С₆₀ по поверхности.

Где еще могут применяться подобные материалы? Их используют в атомной силовой микроскопии (AFM).

На кончике кантилевера устанавливается игла. Далее сканируется поверхность материала на небольшой высоте, измеряя при этом прогиб кантилевера. Кантилеверы производят из кремния, SiO₂, нитрида кремния. Высокой чувствительности и разрешения добиваются, установив квазиконтакт иглы с поверхностью исследуемого материала. Единственная сложность состоит в том, что если поверхность материала очень твердая, то непосредственный контакт может сломать иглу. Использование углеродных нанотрубок в таком случае является решением проблемы. Нанотрубка прикрепляется к игле обычного кремниевого кантилевера сбоку при помощи специального мягкого акрилового клея. Если происходит удар о поверхность исследуемого материала, то возникает неустойчивость Эйлера – нанотрубка изгибается (но не ломается) и затем возвращается в исходное состояние. Склонность нанотрубки к складыванию вместо разрушения делает повреждение конца иглы маловероятным.

Нанотрубка, используемая в качестве зонда для AFM, обладает еще одним полезным свойством – она служит в качестве демпфера, который смягчает удар при каждом касании поверхности исследуемого материала. Такой зонд может быть применен и в контактных режимах измерения нормальных и материальных компонент сил взаимодействия с поверхностью. Благодаря малому поперечному сечению и большому отношению длины к диаметру такого зонда, он может проникать в глубокие канавки на поверхности, которые недоступны для обычных зондов.

Углеродная нанотрубка

Рис. 15.8. Устройство AFM-зонда

Кроме того, электропроводные нанотрубки можно использовать в качестве зондов для СTM.