Дефектные нанопровода из графена оказались не хуже «качественных»

M. Koch et al. / Phys. Rev. Lett.
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.
Дмитрий Трунин