Специальная деформация нанотрубок позволит менять их проводимость

Специальная деформация нанотрубок позволит менять их проводимость

Ученые лаборатории "Неорганические наноматериалы" НИТУ "МИСиС" в составе международного исследовательского коллектива доказали возможность изменения структурных и проводящих свойства нанотрубок путём их растяжения. Это потенциально может позволить расширить области их применения в электронике и высокоточной сенсорике, например, микропроцессорах и высокоточных датчиках. Статья о проведенном исследовании опубликована в журнале Ultramicroscopy.

Углеродная нанотрубка может быть представлена в виде свёрнутого 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 (рис. 1).

Рисунок 1 - различные типы нанотрубок: 1) зигзагообразные, 2) хиральные и 3) кресельные (или зубчатые).

Нанотрубки, обладая высокой электропроводностью, считаются перспективным материалом для использования в электронике и сенсорике, например, в микропроцессорах и высокоточных датчиках. 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.

Ученые лаборатории "Неорганические наноматериалы" НИТУ "МИСиС" вместе с научным коллективом из Японии, Китая и Австралии, возглавляемым профессором Дмитрием Гольбергом, предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства.

"Основа нанотрубки - свёрнутый слой графена - представляет собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода. Если одну из углеродных связей в нанотрубке повернуть на 90?, вместо шестиугольников на этом месте сформируются пятиугольник и семиугольник, и получится так называемый дефект Стоуна-Уэйлса. Такой дефект может возникнуть в структуре, при определённых условиях, - рассказывает Павел Борисович Сорокин, доктор физико-математических наук, доцент, научный руководитель инфраструктурного проекта "Теоретическое материаловедение наноструктур" лаборатории "Неорганические наноматериалы" НИТУ "МИСиС". - Еще в конце 90-х было предсказано, что миграция этого дефекта по стенкам сильно нагретой нанотрубки при приложении к ней механического напряжения может привести к изменению её структуры - последовательной смене хиральности нанотрубки, что ведёт к изменению её электронных свойств. Ранее не было получено экспериментальных подтверждений этой гипотезы. В данной работе представлено её убедительное доказательство".

Ученые лаборатории "Неорганические наноматериалы" провели моделирование эксперимента на атомном уровне. Сначала нанотрубки удлинялись до образования первого структурного дефекта, состоящего из двух пятиугольников и двух семиугольников (дефект Стоуна-Уэйлса, см. рис.2а), который, при продолжительном удлинении трубки начинал "расползаться" в стороны, перестраивая другие углеродные связи (рис.2b). Именно на этом этапе происходило изменение структуры нанотрубок. При дальнейшем удлинении начинали формироваться все новые и новые дефекты Стоуна-Уэйлса, приводя в конечном итоге, к изменению проводимости нанотрубок (рис.2).

Рисунок 2 - процесс смены структуры нанотрубки: а) растягивание с образованием первого дефекта; b) перестройка смежных углеродных связей; с) образование новых дефектов, продолжение перестройки связей.

"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", - дополняет соавтор работы, кандидат физико-математических наук Дмитрий Квашнин, научный сотрудник лаборатории "Неорганические наноматериалы" НИТУ "МИСиС".

Предложенная учеными технология способна помочь в преобразовании структуры "металлических" нанотрубок для их последующего применения в полупроводниковой электронике и сенсорике - например, для микропроцессоров и сверхчувствительных датчиков.

Справка о НИТУ "МИСиС"

НИТУ "МИСиС" в 2018 году отмечает 100-летие со дня основания Московской горной академии, преемником которой является. Сегодня НИТУ "МИСиС" - один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ "МИСиС" также представляет собой полноценный научный центр. Университет входит в предметные рейтинги THE, QS и ARWU сразу по шести направлениям, занимая 30-е место в мире по направлению "Инжиниринг - Горное дело" и входя в топ-100 в категории "Инжиниринг - Металлургия".

Стратегическая цель НИТУ "МИСиС" к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации: материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нано- и ИТ-технологий. В состав университета входит 9 институтов, 5 филиалов - четыре в России и два за рубежом. В НИТУ "МИСиС" обучаются более 17000 студентов из 69 стран мира. В университете действуют более 30 лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие ученые России и мира. НИТУ "МИСиС" успешно реализует совместные проекты с крупнейшими российскими и зарубежными высокотехнологичными компаниями.