ДАРЕМ, Северная Каролина - Химики из Университета Дьюка разработали метод выращивания углеродных цилиндров толщиной в один атом, называемых «нанотрубками», в 100 раз длиннее, чем обычно, при сохранении прямолинейности соломинки с контролируемой ориентацией. Их достижение устраняет главный барьер на пути использования нанотрубок в сверхмалых «наноэлектронных» устройствах, сказал руководитель группы.
Исследователи также вырастили решетки из трубок в виде шахматной доски, которые могут стать основой наноразмерных электронных устройств.
Достижение заключалось в создании бесконечно тонких структур, также называемых «одностенными углеродными нанотрубками» или «бакитрубками», из крошечных каталитических кластеров атомов железа и молибдена, усеянных точками на маленьком прямоугольнике кремния внутри кварцевой трубки.
Эти растущие нанотрубки продолжают удлиняться вдоль поверхности кремния в направлении потока питающего газа монооксида углерода и водорода, которые были быстро нагреты до температуры, достаточной для расплавления обычного стекла. Атомы исходного газа используются в качестве молекулярных строительных блоков.
Процесс был описан ассистентом профессора химии Герцога Цзе Лю, его старшим научным сотрудником Шаомином Хуангом и его аспирантом Синью Цаем в статье, опубликованной во вторник, 22 апреля 2003 г., в онлайн-издании Журнала Американское химическое общество (JACS). Их исследования финансировались НАСА, Военным исследовательским бюро и компанией Dupont..
«Насколько мне известно, это самые длинные отдельные одностенные углеродные нанотрубки из когда-либо зарегистрированных, хотя мы удалили это «самое длинное» утверждение из нашей статьи, потому что вы никогда не сможете утверждать, что они самые длинные навсегда», - сказал Лю.
«В нашей статье мы заявляли о длине более 2 миллиметров, но в нашей собственной лаборатории мы сейчас выращиваем нанотрубки длиной 4 миллиметра», - добавил он в интервью. «Позже мы можем получить еще более длинные нанотрубки».
Длина нанотрубок обычно составляет менее 20 миллионных долей метра, говорится в их отчете JACS, что примерно в 100 раз короче, чем те, которые делает команда Лю. Если бы ее обхват каким-то образом можно было увеличить до 1 дюйма, то длина нанотрубки длиной 2 миллиметра увеличилась бы пропорционально более чем на 31 милю, подсчитал Лю..
Узнав, что они могут выращивать очень длинные и прямые нанотрубки, исследователи обнаружили, что они также могут образовывать перекрестно соединяющиеся сетки нанотрубок. Они сформировали сетки путем выращивания дополнительных нанотрубок в перпендикулярных направлениях под управлением переориентированного потока питающего газа.
Такая сетка может стать основой для электронных схем размером в миллиардные доли метра, сказал Лю. Он добавил, что исключительно длинные нанотрубки можно также разрезать на более мелкие для сращивания в электронные наноматрицы.
Более того, «такие длинные нанотрубки делают напыление нескольких металлических электродов на одну нанотрубку относительно легкой задачей», - пишут авторы в JACS. «Таким образом, на одной и той же нанотрубке по всей ее длине можно создать несколько устройств».
Нанотрубки, названные так потому, что их наименьшие размеры составляют всего миллиардные доли метра, впервые были изучены в 1990-х годах. Их иногда называют buckytubes, потому что их концы, когда они закрыты, принимают форму молекул углерода в форме футбольного мяча, известных как buckminsterfullerenes или «buckyballs». По словам Лю, ученые активно изучают нанотрубки из-за исключительной легкости и прочности цилиндрических молекул, а также их интригующих электронных свойств.
В зависимости от их конкретной архитектуры нанотрубки достаточной чистоты могут вести себя либо как полупроводники, либо как металлы и, таким образом, могут формировать схемы для наноэлектрических компонентов молекулярного масштаба в будущем, сказал Лю.
С тех пор, как Лю перешел в Дюк из лаборатории Университета Райса лауреата Нобелевской премии Ричарда Смолли, ведущего исследователя в этой области, он добился ряда успехов в направлении массового производства нанотрубок с электронной надежностью.
В прошлом году его группа сообщила о преимуществах выращивания нанотрубок из каталитического железа и молибдена, а также использования смеси газообразного монооксида углерода и водорода в качестве строительных материалов для их выращивания.
Эта комбинация достижений позволила химикам Дьюка вырастить группы нанотрубок с диаметрами, близкими к однородным. Это также позволяло им прорастать трубочками в выбранных ими местах на поверхности.
Но контроль местоположения по-прежнему не был точным, сказал Лю. Ученым также нужно было научиться управлять направлением роста трубок. Иллюстрация в статье JACS показывает, что такие «нормально» подготовленные нанотрубки изгибаются во всех направлениях, как солома в пройденном поле.
Лю сказал, что «для будущих приложений электроники есть два основных барьера в исследованиях, связанных с нанотрубками», добавил он. «Одним из них является контроль местоположения и ориентации». Другим серьезным препятствием, по его словам, является приведение нанотрубок в соответствие с поведением чистых металлов или чистых полупроводников.
Команда Герцога теперь добилась контроля направления и ориентации, нагревая образцы намного быстрее и поддерживая температуру выращивания на уровне 900 градусов по Цельсию, как было объявлено в документе JACS..
«Очевидно, что быстрый нагрев благоприятствует росту длинных и хорошо выровненных нанотрубок», - пишут авторы. «Мы считаем, что чрезвычайно быстрый рост на начальном этапе является ключевым фактором», - добавили они.
Другая иллюстрация в этой статье показывает длинные прямые нанотрубки, в некоторых случаях полностью пересекающие поле сканирующего электронного микроскопа, используемого для их наблюдения. Поскольку сами трубки были слишком тонкими, чтобы их было легко увидеть, ученые провели белые параллельные линии той же длины, что и визуальные средства.
В своей статье авторы также признали, что другие исследовательские группы сообщали об управлении ориентацией и расположением нанотрубок на плоской поверхности с помощью электрического поля. «Однако введение сильного электрического поля при росте нанотрубок - непростая задача», - писали они.
"Кроме того, ориентация массивов (нанотрубок) в многомерные перекрестно-сетевые структуры контролируемым образом путем прямого роста не была продемонстрирована."