Новости: Технологии

Углеродные наноматериалы подвергаются тщательному изучению уже несколько лет, но до сих пор не все они подробно изучены. Например, пекинские ученые дополнили список таких материалов, добавив к графену, нанолентам и нанотрубкам углеродные наносвитки (УНС). Наносвиток – скрученный слой графена – обладает многими уникальными свойствами. Например, электронный транспорт зависит от п-п взаимодействия его внешней и внутренней сторон, а ток может протекать не только через внешний цилиндр, как в случае многослойных нанотрубок (МНТ), а по всей поверхности. Их уникальная топология упрощает интеркаляцию, ведь наносвиток не замкнут, и позволяет эффективно использовать их в качестве аккумулятора водорода. Однако пока все это только слова, проверить которые на практике мешало отсутствие способа получить качественные наносвитки и устройства на их основе.

Предложенные ранее методы допускали получение свитков только в смеси с другими формами углерода. Все они основаны на скручивании тонких слоев графита под воздействием ультразвука, однако высокий выход УНС сочетался с низким качеством поверхности, поскольку скручиванию подвергались как монослои графена, так 2, 3 и более слоев.

Улучшение качества произошло, когда монослои графита удалось получить простым отшелушиванием. Тогда было показано, что при абсорбции газа такие монослои скручиваются, но позже был предложен еще более простой и эффективный способ. Графеновые слои отшелушивали на предварительно подготовленную подложку (SiO₂(285 нм)/Si) и определяли количество слоев методом спектроскопии комбинационного рассеяивания. Затем выбирали монослои и погружали их в чашку Петри с изопропанолом на 5 минут. После сушки в азоте оказалось, что двумерная структура действительно превратилась в одномерную. Изображение ПЭМ подтверждает, что это наносвитки, слои в которых плотно и равномерно упакованы. При этом расстояние между слоями составляет 0.35 нм.

Оптическое исследование позволило выделить следующие этапы формирования наносвитков:

1. под действием контакта верхней поверхности с изопропанолом, а нижней с SiO₂, создается напряжение, приводящее к отрыву края графена от подложки;
2. то же натяжение заставляет край приподняться;
3. как только край приближается к поверхности графена, п-п взаимодействие между перекрытыми частями перебивает положительную энергию от закручивания и приводит к формированию свитка;
4. графен практически полностью отделяется от поверхности подложки.

Для оптимизации процесса в качестве переменных выступали следующие факторы:

1. концентрация изопропанола. В чистом изопропаноле закручивание происходит слишком быстро и часто приводит просто к формированию складчатого графена. Разбавление спирта водой замедляет процесс и улучшает качество свитков.
2. исходная форма графена. Листы неправильной формы сминались чаще, чем скручивались, и свиток формировался не до конца.
3. защита от загрязнения. Загрязнения также портят конечный свиток.

КР спектры подтверждают, что образуется не нанотрубка, а именно свиток: так называемая "линия G" в спектрах хотя и уширяется по сравнению с графеном, однако остается гораздо уже, чем в нанотрубке, а "линия D" практически исчезает, в отличие от нанотрубок.

Для измерения электронных свойств на основе Si/SiO₂/УНС был создан полевой транзистор. Его характеристики исследовали при Т=20-300 К. При этом наблюдается температурное изменение сопротивления в 2.2 раза из-за активации носителей заряда. Такая явная температурная зависимость свидетельствует о чистоте продукта и низком уровне примесей.

Кроме того, сравнение проводимости УНС и МНТ показало, что, действительно, способность проводить ток по всей поверхности, а не только по внешнему цилиндру, приводит к возрастанию предельного тока. Зависимость тока от напряжения остается линейной до самого пробоя при 4 В и плотности тока 5×10⁷А/см², тогда как в случае нанотрубок эта зависимость выходит на насыщение. Такая высокая плотность тока позволяет в перспективе использовать УНС в качестве проводящего материала в микросхемах.

А нам пока остается ждать УЛМ – углеродных лент Мёбиуса.