Ученые научились контролировать проводимость нанотрубок
Структурные и проводящие свойства нанотрубок можно изменять путем их растяжения. Это доказали сотрудники лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСиС в составе международного исследовательского коллектива. Открытие потенциально может расширить области применения нанотрубок в электронике и высокоточной сенсорике, например в микропроцессорах и высокоточных датчиках, сообщает пресс-служба МИСиС. Статья о проведенном исследовании опубликована в журнале Ultramicroscopy.
«Разработка и последующее внедрение электроники нового поколения требует решения большого числа как фундаментальных, так и прикладных задач. Так, для случая углеродных нанотрубок, которые благодаря своим выдающимся свойствам рассматриваются в качестве основы для новой электроники, требуется формирование омического контакта с электродами, получение нанотрубок с идеальной структурой, а также с одинаковой проводимостью. Именно решению последней задачи посвящена данная статья», — рассказал «Стимулу» научный руководитель инфраструктурного проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур» лаборатории «Неорганические наноматериалы» МИСиС Павел Сорокин.
Углеродная нанотрубка может быть представлена в виде свернутого особым образом листа графена. Существуют различные способы «сворачивания», благодаря которым края графена соединяются между собой под разными углами, образуя в итоге кресельные, зигзагообразные или хиральные нанотрубки.
Нанотрубки, обладая высокой электропроводностью, считаются перспективным материалом для использования в электронике и сенсорике. Однако на этапе производства углеродных нанотрубок очень трудно контролировать их проводимость. В одном массиве могут вырасти нанотрубки и с металлическими, и с полупроводниковыми свойствами, при этом, например, микропроцессорная электроника требует только полупроводниковых нанотрубок, имеющих одинаковые характеристики.
Исследователи предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства.
«Основа нанотрубки — свернутый слой графена — представляет собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода. Если одну из углеродных связей в нанотрубке повернуть на 90 градусов, вместо шестиугольников на этом месте сформируются пятиугольник и семиугольник и получится так называемый дефект Стоуна—Уэйлса. Такой дефект может возникнуть в структуре при определенных условиях, — рассказывает Павел Сорокин. — Еще в конце девяностых годов было предсказано, что миграция этого дефекта по стенкам сильно нагретой нанотрубки при приложении к ней механического напряжения может привести к изменению ее структуры — последовательной смене хиральности нанотрубки, что ведет к изменению ее электронных свойств. Ранее экспериментальных подтверждений этой гипотезы получено не было. В данной работе представлено ее убедительное доказательство».
Ученые лаборатории провели моделирование эксперимента на атомном уровне. Сначала нанотрубки удлинялись до образования первого структурного дефекта, состоящего из двух пятиугольников и двух семиугольников (дефект Стоуна—Уэйлса), который при продолжительном удлинении трубки начинал «расползаться» в стороны, перестраивая другие углеродные связи. Именно на этом этапе происходило изменение структуры нанотрубок. При дальнейшем удлинении начинали формироваться все новые и новые дефекты Стоуна—Уэйлса, приводя в итоге к изменению проводимости нанотрубок.
«Мы со своей стороны отвечали за теоретическое моделирование процесса на суперкомпьютере в лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов», а зарубежные коллеги — за экспериментальную часть работы. Мы очень рады, что результаты моделирования хорошо совпали с экспериментальными данными», — отметил соавтор работы, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» Дмитрий Квашнин.
Исследования проводились в лаборатории совместно с научным коллективом из Японии, Китая и Австралии, возглавляемым Дмитрием Гольбергом. Профессор Гольберг вошел в рейтинг самых цитируемых авторов Thomson Reuters в разделе «Науки о материалах». Он является одним из ведущих мировых специалистов в области неорганических нанотрубок. В 2011 году Дмитрий Гольберг выиграл мегагрант правительства РФ и стал научным руководителем научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы».