Семейство нанотрубок расширяется и превосходит углерод

Токио, Япония – Исследователи из Токийского столичного университета разработали набор новых одностенных нанотрубок из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) различного состава, киральности и диаметра путем формирования нанотрубок из нитрида бора. Они также создали чрезвычайно тонкие нанотрубки, выращенные внутри шаблона, и успешно разработали структуры для создания семейства новых нанотрубок. Возможность собирать разнообразные структуры дает уникальное понимание механизма их роста и новых оптических свойств.

Углеродные нанотрубки — одно из чудес нанотехнологий. Изготовленный путем скручивания тонкого слоя атомов углерода, он обладает исключительной механической прочностью и электропроводностью среди множества других экзотических оптоэлектронных свойств, что потенциально может применяться в полупроводниках после эры кремния.

Основные особенности углеродных нанотрубок проистекают из более тонких аспектов их структуры. Например, нанотрубки, как и лист бумаги, свернутый под углом, часто имеют асимметрию в своей структуре, что отличает их от зеркального отображения. Именно поэтому ученые ищут материалы, отличные от углерода, которые могут позволить создать более широкий спектр структур. Выделены дихалькогениды переходных металлов (ДПМ), состоящие из переходных металлов и элементов группы 16. Их не только существует целое семейство, но и ДПМ обладают особенностями, не наблюдаемыми в углеродных нанотрубках, такими как сверхпроводимость и фотоэлектрические свойства. Воздействие света генерирует напряжение или ток.

Однако, чтобы полностью раскрыть потенциал TMD, ученым необходимо иметь возможность создавать одностенные нанотрубки различного состава, диаметра и эксцентриситета таким образом, чтобы мы могли изучать их индивидуальные свойства. Это оказалось непростой задачей: нанотрубки TMD обычно образуются в виде концентрических многостенных структур, где каждый слой может иметь разную хиральность. Это затрудняет, например, определение того, какой тип децентрализации приводит к конкретным характеристикам.

Теперь команда под руководством доцента Юсуке Наканиши из Токийского столичного университета нашла способ сделать именно это. Используя нанотрубки из нитрида бора в качестве матрицы, они смогли успешно вырастить массив одностенных нанотрубок TMD, добавляя нужные элементы посредством воздействия пара. В своей предыдущей работе они создали одностенные нанотрубки из сульфида молибдена. Рассмотрев отдельные нанотрубки более детально, они теперь выделили большое количество одностенных трубок разного диаметра и эксцентриситета. В частности, они измерили «углы эксцентрика» отдельных трубок, которые в совокупности с их диаметрами определяют уникальные спиральные структуры. Они впервые обнаружили, что углы эксцентриситета их нанотрубок были распределены случайным образом: это означало, что у них был доступ ко всему диапазону возможных углов, что обещало новое понимание взаимосвязи между эксцентриситетом и электронными состояниями, ключевого нерешенного вопроса в физика. область. Были также очень тонкие трубки диаметром всего в несколько нанометров, выращенные внутри формы, а не снаружи, — уникальная платформа для наблюдения квантово-механических эффектов.

Изменив рецепт, команде теперь также удалось заменить металл и халькоген, синтезировав нанотрубки из селенида молибдена, селенида вольфрама и сплава сульфида молибдена. Они даже создали нанотрубки, содержащие один элемент снаружи, а другой внутри — нанотрубки типа Януса, названные в честь бога Двуликого в римской мифологии. Различные новые открытия команды в семействе нанотрубок обещают смелые новые шаги не только в нашем понимании нанотрубок TMD, но и в том, как экзотические свойства возникают из их структуры.

2 H05469, JP23H00259, JP23K13635, JP23H00097, JP22H05441, JP21H05235, JPJSJRP20221202), Программа JST CREST (номера грантов JPMJCR17I5 и JPMJCR20B1) и Программа JST FOREST (номер гранта JPMJ) ФР213Х).