Главная Технологии Нанотехнологии Ученые разорвали нанотрубки на ленты

Ученые разорвали нанотрубки на ленты

 

 

Сразу две группы учёных заявили о том, что им удалось развернуть углеродные нанотрубки в ленты. Одни научились контролировать процесс с высокой точностью, создавая полоски графена определённой ширины, вторые — производить их буквально килограммами. Новыми технологиями уже заинтересовались многие фирмы, желающие создать более производительные наноэлектронные устройства, способные "переплюнуть" даже суперсовременные кремниевые аналоги.

Ленты из графена (фактически плоскости из соединённых между собой углеродных атомов) хороши тем, что из-за своей малой ширины они становятся полупроводниками, при этом подвижность их носителей тока сравнима с таковой у кремния. Однако их свойства сильно зависят от ширины лент и гладкости их краёв.

 

(Когда-то открытие и самого графена стало сенсацией. Теперь же новый материал удивляет учёных различными своими модификациями. Так, недавно выяснилось, что из него можно создать почти настоящий воздушный шар.)

Ранее, чтобы получить графеновые наноленты (graphene nanoribbons — GNR) приемлемого качества и в относительно больших количествах, необходимо было провести сложный комплекс экспериментов.

Графеновые ленты в теории и на практике. Справа показана фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. На снимке видно, что нанолента имеет ровный край и практически неизменную ширину по всей длине (иллюстрация с сайта acs.org, фото Ayray Dimiev/Rice University).

Теперь же сразу две группы учёных из Стэнфорда (Stanford University) и университета Райса (Rice University) предлагают простые методы, в которых в качестве исходного материала используются углеродные нанотрубки. Их уже научились производить в достаточных количествах (особенно дёшево обходится создание многослойных).

Как выяснилось, создавать наноленты из нанотрубок проще: последние можно развернуть, "разрезая" химические связи вдоль высоты пологого цилиндра (чем-то похожего на соломинку для коктейлей).

"Расстёгивание" углеродной нанотрубки может начаться как на концах, так и в её середине. Внизу показан процесс постепенного разворачивания многослойных нанотрубок, фотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа (иллюстрация Дмитрий Косынкин, фото Nature).

Группа профессора Хунцзе Дая (Hongjie Dai) из Стэнфорда предлагает наносить углеродные нанотрубки на подложку, затем покрывать их полимером (например полиметилметакрилатом или PMMA). Далее плёнку отрывают от подложки и в специальной камере протравливают аргоновой плазмой (plasma etching).

После этого часть "незащищённых" полимером атомов углерода уходят, и получаются наноленты (шириной 10-20 нанометров). В статье, вышедшей в журнале Nature, авторы отмечают, что, изменяя толщину полимерного покрытия и время воздействия аргона, можно добиться получения лент (в том числе и многослойных) определённой ширины и с очень гладкими краями.

Схематическое изображение эксперимента химиков из Стэнфорда. Хорошо видно, что по мере увеличения времени плазменного травления (показано голубыми стрелками) конечный продукт радикально меняется: a) двухслойная лента + однослойная нанотрубка, b – d) графеновые наноленты с различным количеством слоёв (иллюстрация Nature).

Нечто подобное команда Дая получала и ранее. Тогда нанотрубки разбивали на части звуковыми волнами, но получающиеся "куски" были весьма разнородными, и лент среди них было очень мало.

"Сравнивая нынешние результаты с предыдущими, мы можем сказать, что теперь появилась возможность производить действительно узкие наноленты более высокого качества", — сказал Хунцзе в интервью Nanotechweb.org.

В это же время в лаборатории профессора Джеймса Тура (James Tour) учёные работали с растворами одно— и многослойных углеродных нанотрубок. Они обработали их смесью серной кислоты (H2SO4) и перманганата калия (KMnO4) при достаточно низких температурах (50-70 °С).

Несложная химическая реакция легко превращает прочные нанотрубки в ленты (фото Amanda Higginbotham/Rice University).

Эти вещества являются сильными окислителями, поэтому вскоре химики обнаружили, что связи углерод-углерод разрываются, а вместо них образуются связи углерод-кислород. В результате кислород как бы расстёгивает молнию на нанотрубке, раскрывая её таким образом до наноленты.

В пресс-релизе университета Райса Тур подчёркивает, что первоначальное открытие сделал один из сотрудников его лаборатории – Дмитрий Косынкин.

Он изучал процессы, происходящие при окислении нанотрубок, и однажды обнаружил, что при определённых условиях они разворачиваются в ленты.

Разделение происходит именно по длине углеродной нанотрубки, так как это энергетически более выгодно, пишут учёные в статье, опубликованной в Nature.

Схематическое изображение разрыва связей углерод-углерод под воздействием перманганата калия и серной кислоты.

В свою очередь химикам это выгодно по той причине, что образовавшаяся лента имеет практически гладкий (ровный) край, то есть её ширина, определяемая диаметром нанотрубки, почти не меняется по всей длине ленты.

"Большинство методов дают пико— и нанограммы лент, а с помощью этого легко получать килограммы материала", — говорит Тур.

По его мнению, чтобы организовать более-менее массовое производство GNR, необходимо около полугода, пара лет – и готовый товар можно будет реализовывать тоннами.

Наноленты из лаборатории Тура хороши ещё и тем, что они способны растворятся в воде. "Вы можете развернуть их так, чтобы они выстроились параллельно друг другу", — рассказывает Джеймс. Их также можно нанести на чип с помощью метода струйной печати, а затем отжечь в атмосфере водорода, чтобы удалить кислород. Тогда наноленты из графена станут полупроводниками (с кислородом на краях они не проводят).

"Меня поражает тот факт, что это работает, — комментирует эту работу Дай. — В нашем случае мы вынуждены были защищать стенки нанотрубок от разрушения".

Оба метода будут в дальнейшем разрабатываться для возможных коммерческих применений. При этом у каждого из них есть свои преимущества и, соответственно, недостатки.

Если учёные из Райса уверены, что их способ обеспечит массовое производство нанолент, то стэнфордские материаловеды уже представили работающее устройство на основе углеродных нанолент. Они рассказали о создании наиболее производительного на данный момент графенового транзистора .

Полевой транзистор на основе графеновой наноленты. Сверху показано схематическое изображение, внизу – фотографии транзисторов различной длины и ширины, полученные с помощью атомного силового микроскопа. Масштабная линейка соответствует 100 нанометрам.

Отметим, что транзисторы делают на основе полупроводников, чтобы иметь возможность "переключаться" между более и менее проводящим состоянием. Электроны в графене передвигаются с очень высокой скоростью, но при этом в двухмерном листе из углеродных атомов невозможно осуществить переключение. Для этого необходимо либо делать многослойную плёнку, либо "нарезать" графен узкими длинными лентами.

Метод многослойного нанесения приводит к появлению устройства, которое потребляет гораздо больше энергии, чем кремниевый транзистор. Ленты в этом смысле экономнее, но их было крайне сложно производить (создание даже единичных лент шириной менее 20 нанометров было затруднительным).

Обе нынешние публикации показали простой способ получения графена из нанотрубок. Теперь появилась возможность получения нанолент с контролируемой шириной и большим выходом реакции.

Вероятно, оптимальный результат для массовой промышленности даст сочетание обеих технологий. К примеру, по методике Дая в ходе последовательных экспериментов необходимо будет найти оптимальную ширину нанолент как составляющих новых транзисторов. А затем по методике Тура необходимо будет разработать массовое их производство (в объёме) из нанотрубок определённого диаметра.

Учёные из университета Райса считают, что в скором времени графеновые наноленты найдут и другие применения. Ведь они могут заменить такой материал, как оксид индия олова (indium tin oxide — ITO), используемый для производства плоских экранов, электронных чернил и солнечных панелей.

"ITO дорог в производстве, поэтому многие фирмы ищут ему на замену вещество, которое бы обладало похожими свойствами, а именно было бы прозрачным и проводящим", — рассказывает Тур и тут же уверенно добавляет, — Графеновые наноленты станут материалом, который найдёт массу применений".

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить


Поиск по сайту

Сейчас на сайте

Сейчас 63 гостей онлайн

А вы знаете что...

Ваш желудок производит новый слой слизистой оболочки каждые две недели, иначе он переварит сам себя.

Слайд-шоу

Случайное фото