Портреты нанотрубок

Ученые из Центра естественнонаучных исследований ИОФ РАН (Москва) и Института катализа им. К.Г.Борескова (Новосибирск) научились точно определять геометрические параметры графитовых нанотрубок в наноматери-але, который уже в ближайшем будущем может пригодиться для изготовления катодов в плоских вакуумных дисплеях, диодов и транзисторов внаноэлектронике, компактных и безопасных накопителей водорода в энергетике.

С наноматериалами и нанотехнологиями ученые связывают наше будущее. Поэтому исследованием таких материалов и созданием методик, позволяющих точно определять геометрические параметры их структуры, занимаются во многих лабораториях мир и конечно же в России.

Одна из разновидностей углеродного наноматериала, которому сулят большое будущее в технике, внешне напоминает обычную черную "копирку" (поэтому ее называют бумагоподобной) и состоит из плотно упакованных пучков монослойных цилиндров. Эти цилиндры, с длиной в несколько микрон и с диаметром 1-2 нанометра, свернуты из гексагональной графитовой сетки. Каждый из цилиндров обладает важным свойством: он может быть металлом или полупроводником в зависимости от величины его диаметра. А это означает, что из нанотрубок с варьируемым диаметром можно конструировать элементы наноэлектроники — диоды и транзисторы. Поэтому конструкторам и технологам очень важно уметь точно определять структуру такого материала и геометрические параметры слагающих его элементов.

Проблема заключается в том, что характерные размеры материала сравнимы с атомными и для их оценки необходимы методы, обладающие сверхвысоким пространственным разрешением: просвечивающая электронная микроскопия сверхвысокого разрешения, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия с атомным разрешением. К сожалению, каждый из этих методов информативен только в ограниченном диапазоне диаметров нанотрубок и не дает исчерпывающую информацию о нанотрубочном материале в целом.

С помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения можно оценить диаметры отдельных нанотрубок и их пучков и определить, пустые они или наполненные, одиночные или вложенные одна в другую. Сканирующий туннельный микроскоп не только измеряет диаметры и длину элементов, но и дает информацию о спиральности (угле закрутки) каждой нанотрубки, ее деформации и о взаимном расположении трубок в пучках. Однако для исследований этими методами требуется кропотливая подготовка образцов и значительное время — до нескольких дней.

Комбинационное рассеяние (КР) света широко используют для идентификации различных форм углерода. Оказалось, что метод очень информативен и для наноструктурированных углеродных материалов, в том числе — для углеродных нанотрубок. Предельное пространственное разрешение КР составляет всего 1 микрон, поэтому метод не позволяет рассмотреть сами атомы. Однако регистрируемые в КР изменения во взаимодействии света с нано-масштабным объектом определяются именно его размером. Поэтому КР позволяет точно определить диаметры одностенных углеродных нанотрубок. Если использовать резонансную схему рассеяния, но можно также оценить распределение нанотрубок по диаметру в исследуемом материале и получить информацию о его электронных свойствах.

Ученые из ЦЕНИ ИОФ РАН (Москва) и Института катализа им. К.Г.Борескова (Новосибирск) провели исследование чистого и однородного бумагоподобного наноструктурного материала, состоящего из одностенных углеродных трубок, всеми тремя перечисленными методами и сравнили результаты. Оказалось, что результаты хорошо согласуются между собой. Ученые считают, что метод КР света хорош как наиболее быстрый и удобный при изучении одностенных нанотрубок с диаметрами меньше 2 нм. При диаметрах 2— 5 нм КР света теряет свою чувствительность и требуется применять методы просвечивающей и туннельной микроскопии. Если в недалеком будущем инженерам-электронщикам при конструировании наноэлектронных приборов потребуется измерить геометрические параметры наноструктур, то метод комбинационного рассеяния света будет для них самым предпочтительным.

К авторам исследования уже обращаются коллеги из различных лабораторий (из Швейцарии, США, Испании) с просьбой провести КР-исследование их наноструктурного материала, поскольку они не обладают ноу-хау и опытом применения этой методики.