Растяжение и нагрев превратили углеродные нанотрубки в полупроводник

Ученые из Китая, Японии, России и Австралии разработали метод изменения хиральности углеродных нанотрубок, позволяющий поменять их свойства с металлических на полупроводниковые. Данные, полученные во время экспериментальной проверки метода, с достаточно высокой точностью совпали с результатами моделирования, рассказывают авторы статьи, опубликованной в Ultramicroscopy.

Наряду с количеством слоев один из главных структурных параметров углеродных нанотрубок — их хиральность. Она зависит от того, под какими углами графеновая плоскость свернута в трубку, и оказывает сильное влияние на свойства трубки. К примеру, индексы хиральности определяют, какими проводящими свойствами обладает нанотрубка, — металлическими или полупроводниковыми. Несмотря на развитие способов получения нанотрубок с определенными структурой и свойствами, пока они остаются не слишком надежными и достаточно сложно получить большое количество нанотрубок со строго определенными параметрами.

Группа исследователей под руководством Ёсио Бандо (Yoshio Bando) из Национального института материаловедения в Токио и Дмитрия Гольберга (Dmitri Golberg) из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработала метод, позволяющий изменять структуру и свойства многостенных углеродных нанотрубок уже после из создания. Ученые решили вызывать структурные изменения в нанотрубках с помощью одновременно двух стимулов — нагревания и механической нагрузки.

Исследователи помещали в просвечивающий электронный микроскоп образцы многостенных углеродных нанотрубок. Нанотрубка присоединялась к электродам внутри камеры микроскопа, через которые на нее подавали миллисекундные электрические импульсы, вызывающие ее нагревание, а зонд сканирующего туннельного микроскопа помогал растягивать нанотрубку с определенным напряжением. Поскольку задачей ученых было выяснение влияния нагревания и механической нагрузки на хиральность, они определяли ее с помощью измерения диаметра трубки и определения дифракционных линий определенных слоев, перпендикулярных к оси трубки.

Во время экспериментов ученые прикладывали электрические импульсы к нанотрубке, во время которых верхние слои последовательно сублимировались, благодаря чему удалось получить из многослойной нанотрубки однослойную. Кроме того, им удалось достичь изменения хиральности двуслойных нанотрубок и изменения свойств внешнего слоя с металлических на полупроводниковые.

Для того, чтобы понять, как именно происходит изменение структуры, исследователи провели симуляцию этого процесса. При растяжении на 8,5 процента и температуре около двух тысяч кельвинов (1727 градусов Цельсия) в нанотрубке образуется дефект Стоуна — Уэйлса, который представляет собой расположенные рядом пяти- и семичленные кольца из углеродных атомов. Поскольку при этом ориентация углерод-углеродных связей нарушается, изначальный дефект при дальнейшем увеличении нагрузки на трубку выступает как центр образования новых дефектов Стоуна — Уэйлса и более сложных, в том числе состоящих из восьмичленных углеродных колец. Впоследствии эти дефекты начинают скользить по трубке и менять ее диаметр хиральность, что и наблюдалось во время экспериментов.

Недавно группа ученых из США и Ирана с помощью компьютерного моделирования предсказали возможность формирования внутри углеродных и борнитридных нанотрубкок диаметром около одного нанометра упорядоченной водной структуры с цилиндрической геометрией.

Григорий Копиев