Дефектные нанопровода из графена оказались не хуже «качественных»

Физики из Германии и США экспериментально показали, что электрические свойства графеновых нанолент не изменяются, если добавить дефекты в ее структуру, а гибкость ленты даже увеличивается. Для этого ученые синтезировали наноленты с различной частотой дефектов и исследовали их с помощью атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопа. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Сложные роботы состоят из огромного числа сенсоров, транзисторов и моторов, которые обрабатывают поступающую из внешнего мира информацию, обрабатывают ее и заставляют робота двигаться соответственно ситуации. Все эти приборы связаны в единую систему проводами, по которым передаются электрические импульсы, — очевидно, что по отдельности приборы будут бесполезны. Следовательно, если мы хотим разработать нанороботов, размер которых будет ограничиваться сотнями нанометров, а функциональность будет сопоставима со способностями обычных роботов, нам надо уменьшить не только сенсоры, транзисторы и моторчики, но и провода, связывающие приборы.

Хорошим кандидатом на эту роль считаются графеновые наноленты (nanoribbon) — узкие полоски графена шириной порядка 50 нанометров и толщиной всего в один атом. Такие полоски сохраняют все электрические свойства графена и вдобавок позволяют настраивать ширину запрещенной зоны — грубо говоря, при определенных условиях наноленту можно «запереть», превратив ее в полупроводник или изолятор. Тем не менее, при переходе к нанометровым приборам обычно возникают проблемы, которые нельзя было ожидать на бо́льших масштабах. Тогда как в обычных полупроводниковых устройствах дефекты заставляют возникать переносчики заряда (электроны и дырки) и потому играют важную роль, нанометровые приборы нужно поддерживать в идеальной чистоте. Численные расчеты показывают, что даже малейшее изменение химического состава наноленты заметно повлияет на ее проводящие свойства. С другой стороны, структурные дефекты, при которых меняется только форма ленты, но не ее химический состав, исследованы гораздо хуже. В частности, к этим дефектам можно отнести пропущенный атом углерода в кристаллической структуре графена, из-за которого края наноленты «расплетаются» и начинают напоминать шестиугольники, присоединенные к основному массиву атомов.

Группа физиков под руководством Маттиаса Коха (Matthias Koch) экспериментально проверила, как структурные дефекты будут сказываться на электрических и механических свойствах наноленты. Для этого ученые изготовили множество нанолент, придерживаясь следующей схемы. На первом шаге исследователи заставили полимеризоваться дибромо-диантрацен (на поясняющем рисунке он изображен слева) — получили длинную цепочку из атомов углерода и водорода, которые были объединены в группы из трех колец, соединенные единственной связью. Полимеризация происходит примерно при 170 градусах Цельсия. Затем ученые нагрели получившуюся цепочку еще сильнее — при температуре порядка 400 градусов Цельсия атомы водорода полностью «выжигаются», а атомы углерода образуют новые связи и сворачиваются в наноленту (нижнюю справа на поясняющем рисунке). Тем не менее, при более низких температурах цепочка сворачивается не полностью, оставляя по краям ленты структурные дефекты (пропущенные атомы углерода). В целом, такие наноленты оставались прямыми, как и в «доведенном до конца» синтезе.

Затем ученые исследовали механические и электрические свойства синтезированных нанолент с помощью атомно-силового и туннельного микроскопа, параллельно определяя частоту, с которой дефекты встречаются в конкретно выбранной ленте. Для этого физики прикрепили один из концов ленты к твердой подложке, а другой приподняли с помощью тонкой иглы сканирующего туннельного микроскопа; затем исследователи сняли зависимость силы тока, протекающего через ленту, от высоты ее поднятия. Одновременно с этим ученые просвечивали ленту и измеряли сдвиг частоты, который можно однозначно связать с шириной ленты в определенной точке. В результате оказалось, что при поднятии «целой» наноленты сила тока плавно растет, если поддерживать напряжение на ней постоянным. Если же в ленте есть дефекты, сила тока меняется скачкообразно, однако в среднем углу наклона обеих зависимостей совпадают. Более того, скачки силы тока и частоты совпадают — следовательно, оба их них связаны с моментом, когда участок наноленты с дефектом отрывается от подложки. Это значит, что электрические свойства наноленты не зависят от структурных дефектов — если конец и начало ленты с дефектами будут «чистыми», ток по ней будет течь так же, как и по идеальной ленте. Вероятно, это связано с тем, что электронная структура «разлохмаченной» ленты выглядит практически так же, как и структура «чистой» ленты, хотя в первой часть атомов углерода отсутствует.

Кроме того, наноленты с дефектами оказались более гибкими, чем «чистые» наноленты — поднимая ленты с помощью иглы атомно-силового микроскопа, физики измеряли не только силу тока, но и силу, которую надо приложить, чтобы оторвать еще один сегмент от подложки. Для «чистой» наноленты эта сила была неизменной в ходе всего опыта. Для наноленты с дефектами, напротив, сегменты с меньшим числом атомов углерода отрывались легче, и в среднем для поднятия наноленты нужно было затратить меньше усилий. Таким образом, авторы статьи отмечают, что наноленты могут служить надежными проводами для наноразмерных устройств — их электропроводность остается на высоком уровне даже при небольших повреждениях, а их гибкость можно настраивать, изменяя частоту дефектов.

В апреле этого года ученые из Японии, Швейцарии и Финландии научились одновременно встраивать в наноленты атомы азота и бора. В январе физики из ИТМО одними из первых заставили наноленты излучать в видимом диапазоне (красный свет с длиной волны около 770 нанометров) — предположительно, в будущем наноленты можно будет использовать в качестве дешевых источников света. А в декабре 2017 американские исследователи построили с помощью нанолент детектор одиночных фотонов, который может регистрировать до четырех фотонов одновременно.

Дмитрий Трунин