22.12.2020
ФизТех
1 117

Новый метод синтеза нанополосок сделает их доступными для массового применения

4.2

Российские ученые предложили превосходящий аналоги метод синтеза структурно правильных графеновых нанополосок — материала с перспективами применения в гибкой электронике, солнечных батареях, светодиодах и лазерах. Разработанная коллективом оригинальная технология осаждения из газовой фазы дешевле и производительнее, чем применяемая сегодня самосборка нанополосок на подложке из благородного металла.

Новый метод синтеза нанополосок сделает их доступными для массового применения

Работа опубликована в The Journal of Physical Chemistry C. Электроника на основе кремния планомерно приближается к пределу своих возможностей, и возникает вопрос: что заменит этот материал в будущем? Несмотря на свои прославленные электронные свойства, графен — двумерный лист атомов углерода — сам по себе не может лечь в основу электроники будущего. В отличие от полупроводников вроде кремния, графен не переключается между проводящим и не проводящим состояниями, а ведет себя как металл. Из-за этого он не пригоден для изготовления транзисторов, на которых строится вся электроника.

Зато если нарезать графен на узкие полоски, то они при условии отсутствия дефектов и при правильной геометрии краев обладают полупроводниковыми свойствами. Такие «наноленты» уже используются в экспериментальных транзисторах с неплохими характеристиками, причем эластичность материала дает возможность делать устройства гибкими. Существуют технологические сложности при интеграции 3D-устройств и 2D-материалов, но принципиальных препятствий для использования нанополосок в электронике нет.

Работа на термогравиметре Jupiter (фирмы Netzsch) в Лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ / ©Предоставлено авторами исследования / Пресс-служба МФТИ

На практике получать графеновые нанополоски приходится не из более крупных структур — нарезкой графена или углеродных нанотрубок — а при помощи так называемого подхода снизу вверх, когда материал синтезируется с нуля, атом за атомом. Только так получается избежать структурных дефектов, которые лишают полоски ценных свойств. Однако применяемая сегодня технология синтеза нанополосок снизу вверх (самосборка) дорога и едва ли может быть масштабирована для нужд производства, поэтому материаловеды ищут ей альтернативы.

«Графеновые нанополоски — материал с интересными для фундаментальной науки свойствами и потенциалом применения в разного рода футуристичных устройствах, однако стандартный на сегодня метод синтеза имеет свои недостатки, — рассказывает Павел Федотов, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. — Поддержание сверхвысокого вакуума и золотые подложки — это весьма дорого, а материала на выходе получается сравнительно мало».

«Мы с коллегами предложили альтернативный вариант синтеза нанополосок с атомарной точностью. Для него достаточно обычного вакуума и более дешевых подложек из никеля, а производительность увеличивается за счет того, что полоски получаются не по одной, а в виде многослойных пленок, которые затем можно разделить путем приготовления суспензии. При этом качество материала не страдает: мы зарегистрировали фотолюминесценцию полученных нанополосок и получили корректные результаты комбинационного рассеяния света, что было бы невозможно при наличии серьезных структурных дефектов», — добавляет ученый.

Исследователи применили оригинальный вариант технологии осаждения из газовой фазы для синтеза графеновых нанополосок конкретного типа: семь атомов углерода в ширину, с краями типа armchair (от английского «кресло» — смотрите рисунок), которые так называют из-за визуального сходства со спинками кресел. Полоски именно с такими краями — а не зигзагообразными — обладают полупроводниковыми свойствами.

Синтез проходит в герметичной стеклянной трубке под давлением в миллион раз ниже атмосферного, но в 10 тысяч раз выше, чем требуется при самосборке в сверхвысоком вакууме. В качестве исходного реагента для получения нанополосок ученые использовали содержащее углерод, водород и бром твердое вещество под названием DBBA.

Его помещали на никелевую фольгу, предварительно очищенную от оксидной пленки отжигом при температуре 1000 градусов Цельсия. После этого стеклянная трубка с образцом дважды по несколько часов нагревалась в реакторе — сначала при 190 °C, затем при 380 °C. На первой стадии формировались длинные полимерные молекулы, а на второй они трансформировались в атомарно правильные нанополоски, плотно упакованные в виде пленки толщиной до тысячи нанометров.

7-Z GNR — графеновая нанополоска с геометрией краев типа зигзаг («Z» — zigzag) и шириной семь атомов, 7-A GNR — графеновая нанополоска с геометрией краев типа кресло («A» в названии — armchair) и шириной семь атомов / ©Дарья Сокол / Пресс-служба МФТИ

Далее многослойная пленка подвергалась суспендированию. Ее помещали в раствор, куда погружалась специальная игла, генерирующая ультразвуковые колебания для разбивки пленки на монослои, то есть нанополоски толщиной в один атом. В качестве растворителя использовался хлорбензол и толуол. По данным экспериментов известно, что именно в этих веществах нанополоски стабильно суспендируют, не слипаются обратно в пленки и не подвержены возникновению структурных дефектов. Проверка качества монослоев тоже проводилась в суспензии, оптическими методами: анализ комбинационного рассеяния света и наблюдение явления фотолюминесценции подтвердили отсутствие значимых дефектов у нанополосок.

Благодаря своей сравнительной дешевизне и масштабируемости, предложенная российским коллективом ученых технология синтеза атомарно правильных многослойных нанополосок типа 7А приближает момент, когда этот материал сможет широко применяться в производстве электронных и оптических устройств, превосходящих нынешние аналоги.

«Опыт показывает, что с появлением нового углеродного материала, появляются новые свойства и области применения. Так было и со сверхузкими полосами графена. Первоначально они были синтезированы внутри одностенных углеродных нанотрубок. Нанотрубка служила контейнером, ограничивающим ширину нанополосы. И уже для таких графеновых полос была впервые продемонстрирована люминесценция, параметры которой зависели от геометрии нанотрубки, — рассказывает Елена Образцова, заведующая лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.

— Наш новый подход, химическое газофазное осаждение по схеме bottom-up, позволяет получать сверхузкие полосы графена в большом количестве и в достаточно мягких условиях: низкий вакуум, никелевая подложка. Для этого материала зарегистрирована яркая экситонная люминесценция. Он является перспективным для многих применений в нелинейной оптике, которые мы будем разрабатывать». В исследовании приняли участие ученые из МФТИ, ИОФ РАН, РКЦ, Сколтеха и ИБХ РАН. Работа поддержана грантами РФФИ. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали уровень глюкозы мышей, а утренние – приводили к снижению веса. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

Вчера, 18:45
Александра Медведева

Снимки телескопа Hubble показали, что черная дыра в центре карликовой галактики Henize 2-10 создает звезды вместо того, чтобы их разрушать. Открытие может стать ключом к пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Позавчера, 21:12
Илья Ведмеденко

Российские специалисты обратили внимание на возможные технические трудности, связанные с модулем «Поиск» Международной космической станции. Ранее в NASA намекнули на изоляцию российского модуля «Звезда».

Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали уровень глюкозы мышей, а утренние – приводили к снижению веса. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

17 января
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

17 января
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

23.12.2021
Илья Ведмеденко

Как сообщило издание Global Times, китайские специалисты завершили испытания воздухонезависимой энергетической установки (ВНЭУ) на основе двигателя Стирлинга. Ее хотят задействовать на новых неатомных субмаринах проекта 039С.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: