Гибридные сети из углерода сделают нано- и биоэлектронику надежнее и быстрее

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.

Рисунок 1. Взаимное расположение углеродных нанотрубок и графеновых листов при наносварке. Источник: Gerasimenko A. Y. et al. / Nanomaterials, 2021.

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