Международному коллективу ученых из России и Японии удалось впервые продемонстрировать возможность контролируемого изменения хиральности углеродных нанотрубок. Это приближает данные наноструктуры к практическому применению в электронике и высокоточной сенсорике и делает возможным создание уникальных нанотранзисторов размером менее 3 нанометров. Помимо этого, был продемонстрирован эффект квантовой интерференции при комнатной температуре. Результаты исследования опубликованы в ведущем международном научном журнале Science.
Внимание к углеродным нанотрубкам не ослабевает с момента первого наблюдения их структуры в 1991 году. Это связанно с возможными технологическими приложениями, основанными на их уникальных фундаментальных свойствах. Одной из особенностей углеродных нанотрубок является их хиральность, то есть закрученность структуры. Идеальная нанотрубка — это цилиндр, полученный при свертывании слоя графена, причём способ свёртки определяет не только структуру, но и электронные свойства нанотрубки. С одной стороны, эта уникальная особенность привлекает внимание исследователей, с другой стороны — создаёт огромную проблему для дальнейших потенциальных приложений нанотрубок, так как именно хиральность определяет, металлом является нанотрубка или полупроводником, причём минимальное изменение «индекса хиральности» полностью меняет свойства нанотрубки.
В процессе синтеза в одном массиве могут вырасти нанотрубки и с металлическими, и с полупроводниковыми свойствами. Это делает невозможным массовое производство нанотрубок для электроники.
Ученые НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) и др. предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства. Японская сторона провела экспериментальную часть, ученые НИТУ «МИСиС» разработали теорию, полностью объясняющую экспериментальные данные.
«Наши коллеги из Японии сделали блестящий эксперимент, в котором сочетание локального нагрева и механической деформации позволило менять локальную хиральность отдельных углеродных нанотрубок и таким образом контролировать их электронные свойства. Впервые удалось наблюдать как нанотрубка постепенно меняет свою атомную структуру. При этом, что особенно интересно, структура изменялась совершенно не так, как предсказывали ранее разработанные теоретические модели», — рассказал соавтор исследования, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», д.ф.-м.н. Павел Сорокин.
Как подчеркивают ученые, ранее теоретически предполагалось, что молекулярные переходы между металлическими и полупроводниковыми нанотрубками могут использоваться в качестве основных структур наноразмерных электронных устройств.
Коллектив разработал и создал 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. Расчёты 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» — объясняет инженер НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», к.ф.-м.н Сергей Ерохин.
«Синтезированные транзисторы имели длину канала всего 2,8 нанометров и демонстрировали когерентную квантовую интерференцию при комнатной температуре. Наши коллеги из ИБХФ РАН провели моделирование процесса интерференции электронов в нанотрубке, хорошо описывающее экспериментальные данные», — поясняет Павел Сорокин.
По мнению ученых, наблюдаемый 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 сверхсовременных гаджетов нового поколения. В настоящий момент коллектив продолжает исследования произведенных образцов для стабилизации полученного состояния нанотрубок.
Алевтина Черникова, ректор Университета «МИСИС»: «Павел Сорокин, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСИС» — победитель открытого международного конкурса университета на получение грантов для поддержки научных исследований, проводимых под руководством выдающихся ученых, автор более 100 публикаций в ведущих международных изданиях. Это талантливый молодой ученый, обладающий глубокими знаниями и эрудицией, уже получивший признание мирового академического сообщества. Область его научных интересов — одномерные и двумерные наноструктуры, физика поверхности, композиционные материалы. В 2020 году Павел Сорокин стал лауреатом Премии Правительства Москвы молодым ученым в номинации «Физика и астрономия» за изучение наноматериалов с особой атомной структурой, их спинтронных и электронных свойств; в 2021 году получил ведомственную награду Министерства науки и образования РФ и нагрудный знак «Молодой ученый».
Работа была профинансирована в рамках Программы повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проект 5–100).