Ученые из России и Японии впервые продемонстрировали возможность контролируемого изменения хиральности углеродных нанотрубок. Это позволит использовать нанотрубки в электронике и высокоточной сенсорике, а также создавать уникальные нанотранзисторы размером менее 3 нанометров. Статья опубликована в журнале Science.
Благодаря уникальным свойствам нанотрубки нашли множество технологических применений. Одной из особенностей углеродных нанотрубок является их хиральность — закрученность структуры. Идеальная нанотрубка представляет собой цилиндр, полученный при свертывании слоя графена, а способ свертки определяет и электронные свойства нанотрубки. Однако эта особенность также создает проблему для потенциальных приложений нанотрубок, так как хиральность определяет, металлом является нанотрубка или полупроводником, а ее минимальное изменение полностью меняет свойства нанотрубки. В процессе синтеза в одном массиве могут получиться нанотрубки с разными свойствами, что делает невозможным массовое производство нанотрубок для электроники.
Ученые НИТУ «МИСиС» и Национального института материаловедения Японии предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства. Авторы провели эксперимент, в котором сочетание локального нагрева и механической деформации позволило менять локальную хиральность отдельных углеродных нанотрубок и контролировать их электронные свойства. Ученые впервые наблюдали, как нанотрубка постепенно меняет свою атомную структуру.
При этом структура изменялась совершенно не так, как предсказывали теоретические модели. Ранее предполагалось, что молекулярные переходы между металлическими и полупроводниковыми нанотрубками могут использоваться в качестве основных структур наноразмерных электронных устройств. Ученые разработали внутримолекулярный транзистор, в котором локальная хиральность была изменена термомеханической обработкой в контролируемой среде просвечивающего электронного микроскопа.
«Мы разработали модель, согласно которой дислокации, отвечающие за изменение хиральности при пластичной деформации, образуются в результате испарения димера углерода при высокой температуре. Расчеты энергии формирования дефектов показали, что энергетически предпочтительно возникновение строгой ориентации дислокаций, приводящих к постепенной трансформации любых углеродных нанотрубок к кресельному типу при пластичном растяжении, что полностью согласуется с результатами эксперимента наших коллег», — говорит соавтор исследования Сергей Ерохин.
Синтезированные транзисторы имели длину канала всего 2,8 нанометра и демонстрировали когерентную квантовую интерференцию при комнатной температуре. По мнению ученых, этот эффект открывает путь к контролю свойств производимых нанотрубок, что решает самую главную проблему этого наноматериала. Это позволит создавать самые маленькие в мире транзисторы без использования кремния. Они могут стать основой гаджетов нового поколения.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
