Из нанотрубок убрали углерод, и их стало намного больше

Исследователи из Tokyo Metropolitan University создали ряд новых одностенных нанотрубок из дихалькогенидов переходных металлов, TMD, с различным составом, хиральностью и диаметром путем шаблонирования нанотрубок из нитрида бора.

Также разработчики получили сверхтонкие нанотрубки, выращенные внутри шаблона, и успешно подобраны составы для создания семейства новых нанотрубок. Возможность синтеза разнообразных структур позволяет получить уникальные сведения о механизме их роста и новых оптических свойствах.

Углеродная нанотрубка — чудо нанотехнологии. Созданная путем сворачивания листа из атомов углерода толщиной.ю соответсвенно, в один атом, она обладает исключительной механической прочностью и электропроводностью, а также рядом других экзотических оптоэлектронных свойств, что дает возможность использовать ее в полупроводниках, выходящих за рамки эпохи кремния.

Ключевые особенности углеродных нанотрубок обусловлены тонкими аспектами их структуры. Например, подобно листу бумаги, свернутому под углом, нанотрубки часто обладают хиральностью, «рукопожатностью» своей структуры, что отличает их от зеркального отражения. Именно поэтому ученые обращают внимание на материалы, выходящие за пределы углерода, которые могут обеспечить более широкий спектр структур. В центре внимания — дихалькогениды переходных металлов (TMD), состоящие из переходных металлов и элементов 16-й группы. Мало того, что существует целое семейство таких соединений, TMD обладают свойствами, которые не наблюдаются в углеродных нанотрубках, например, сверхпроводимостью и фотоэлектрическими свойствами, когда под воздействием света возникает напряжение или ток.

Однако для того чтобы в полной мере раскрыть потенциал TMD, ученые должны иметь возможность изготавливать одностенные нанотрубки различного состава, диаметра и хиральности, что позволит изучать их индивидуальные свойства. Это оказалось непростой задачей: TMD-нанотрубки обычно формируются в концентрические многостенные структуры, где каждый слой может иметь различную хиральность. Это затрудняет выяснение, например, того, какая именно хиральность обусловливает те или иные свойства.

Теперь группа специалистов под руководством доцента Юсуке Наканиши (Yusuke Nakanishi) из Токийского университета Метрополитен (Tokyo Metropolitan University) придумала, как это сделать. Используя в качестве шаблона нанотрубки из нитрида бора, они смогли успешно вырастить целый ряд одностенных TMD-нанотрубок, добавляя в них необходимые элементы путем воздействия паров. В предыдущей работе были получены одностенные нанотрубки из сульфида молибдена.

При более детальном изучении отдельных нанотрубок они выделили целую плеяду одностенных трубок различного диаметра и хиральности. В частности, они измерили «хиральные углы» отдельных трубок, которые в совокупности с их диаметрами определяют уникальные хиральные структуры. Они впервые обнаружили, что хиральные углы нанотрубок распределены случайным образом: это означает, что им доступен весь диапазон возможных углов, что дает возможность получить новые сведения о связи между хиральностью и электронными состояниями — ключевом нерешенном вопросе в данной области. Кроме того, ультратонкие трубки размером всего в несколько нанометров росли внутри шаблона, а не снаружи — уникальная платформа для наблюдения квантовомеханических эффектов.

Изменив рецептуру, команда также смогла поменять местами металл и халькоген, получив нанотрубки из селенида молибдена, селенида вольфрама и сплава молибден-вольфрам-сульфид. Они даже создали нанотрубки с одним элементом снаружи и другим внутри — нанотрубки типа «Янус», названные так в честь двуликого бога из римской мифологии. Новые разнообразные элементы в семействе нанотрубок обещают новые смелые шаги не только в нашем понимании TMD-нанотрубок, но и того, как экзотические свойства возникают из их структур.

14.10.2023