Российские
ученые с помощью лазерной «сварки» создали гибридные сети, состоящие из
углеродных нанотрубок и графена. Такие структуры в полтора раза тверже, чем
обычные нанотрубки, а также почти вдвое лучше пропускают через себя
электрический ток. Это позволит использовать их в качестве надежных проводящих
элементов в нано- и биоэлектронике, например в умных часах, фитнес-трекерах,
слуховых аппаратах, медицинских датчиках. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале
Nanomaterials.
Углеродные нанотрубки все больше привлекают внимание ученых,
поскольку они прочные, хорошо проводят ток и тепло, устойчивы к скачкам
напряжения и механическим повреждениям. Эти свойства позволяют использовать их
в таких электронных устройствах как биосенсоры, транзисторы, аккумуляторы.
Другой перспективный материал в наноэлектронике — это графен, который по
свойствам похож на нанотрубки, поскольку он состоит из того же химического
элемента — углерода. Отличие лишь в том, что атомы в составе графена образуют
плоскость, тогда как в нанотрубках она свернута в полый цилиндр.
Физики из Национального
исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Первого Московского государственного медицинского университета
имени И. М. Сеченова, Научно-производственного
комплекса «Технологический центр» (Москва), Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии
наук
(Москва) и Саратовского
национального исследовательского государственного университета (Саратов) разработали метод
создания гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена.
Ученые использовали два типа нанотрубок: однослойные — стенки
которых состояли только из одного слоя атомов углерода, и многослойные — их можно представить как множество цилиндров разного
диаметра, вложенных один в другой. Чтобы исследовать, как соединение с графеном
повлияет на свойства нанотрубок каждого типа, физики подготовили четыре типа
образцов. В первом на кремниевую подложку напыляли тонкую пленку из однослойных
нанотрубок, во втором — такую
же, но из многослойных. Третий и четвертый образцы состояли из смеси графена и
одного из типов нанотрубок. После нанесения всех слоев следовал этап
наносварки, чтобы материалы прочно соединились химическими связями. Для этого
исследователи использовали лазерное излучение, которое подавали короткими
импульсами.
Оказалось, что из-за сплавления с
помощью лазера на поверхности нанотрубок образовались незначительные дефекты,
но несмотря на это, твердость всех материалов после наносварки увеличилась. При
этом пленки, состоящие из нанотрубок и графена, были тверже (в 1,4 раза для
однослойных и в 1,5 раза для многослойных), чем образцы из чистых материалов.
Кроме того, исследователи выявили, что электропроводность пленок тоже
изменилась: гибридные наноструктуры проводили электрический ток в 1,8 и в 1,4
раза лучше. Объяснить это можно тем, что между графеном и нанотрубками
образуется большое количество химических связей, которые делают материал более
прочным, а также создают особую сеть для проведения электронов. Сравнив между
собой все образцы, физики определили, что наибольшей прочностью и
электропроводностью обладают гибридные наноструктуры из многослойных углеродных
нанотрубок и графена.
«Наше
исследование показало, что высокие прочность и электропроводность гибридных
материалов позволят использовать их в наноэлектронике, а также в качестве
компонентов различных устройств биоэлектроники, так как они помогут повысить точность и скорость
их работы. В дальнейшем мы планируем более детально изучить особенности
химических связей, образующихся между компонентами гибридных структур, чтобы
понять, можно ли еще улучшить их физические характеристики», —
рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Ольга Глухова, доктор
физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела математического
моделирования СГУ имени Н. Г. Чернышевского.
![(jpg, 36 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=2268b8dc-ad4b-42fc-ae9b-29e293696185)
Рисунок 1. Взаимное расположение углеродных нанотрубок и
графеновых листов при наносварке. Источник: Gerasimenko A. Y. et al. /
Nanomaterials, 2021.
![(jpg, 71 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=22d9ef85-c49f-46df-9c25-60269a145713)
Рисунок 2. Структура гибридных материалов: (а, с) из
однослойных углеродных нанотрубок и графена; (b, d) из многослойных углеродных
нанотрубок и графена. Источник: Gerasimenko A. Y. et al. / Nanomaterials, 2021.
Пресс-служба Российского научного фонда