Ученые исследовали свойства лезвий атомарной толщины

Российские ученые с помощью методов компьютерного моделирования провели исследование того, как сильные электрические поля влияют на характеристики лезвийных гибридов: тонкая углеродная трубка (1D-компонент) с присоединенным длинным листом графена (2D-компонент), выступающим в качестве лезвия атомарной толщины. Получающиеся в итоге квази-1D-структуры не только сочетают в себе свойства обоих компонентов, но и обнаруживают синергетический эффект. Он заключается в значительном улучшении некоторых характеристик, что делает подобные гибриды перспективными при создании новейших опто- и наноэлектронных устройств. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

В последние десятилетия углеродные нанотрубки (УНТ) и графен привлекают особое внимание исследователей во всем мире. Все дело в их уникальных физических характеристиках: высокой электро- и теплопроводности, отличной подвижности носителей зарядов, прозрачности, прочности и гибкости. Соединение двухмерной и одномерной углеродных наноструктур позволяет не только объединить их полезные свойства, но и получить новые, что важно при применении гибридов в качестве компонентной базы электронных и оптических устройств нового поколения.

«Например, такие гибридные структуры оказываются прочнее, чем просто графен — УНТ служит своего рода ребром жесткости,— а также эффективнее в качестве полевых транзисторов и фотоэлементов. Однако, прежде чем перейти к стадии массового синтеза подобных гибридов, необходимо провести прогностическое компьютерное моделирование (in silico), которое позволит выявить оптимальные геометрические и электронные характеристики, обеспечивающие стабильную и эффективную работу гибрида в составе наноустройств»,— рассказывает Михаил Слепченков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ.

Именно в ходе таких виртуальных экспериментов сотрудники Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского и Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова изучили, как на гибридные структуры из УНТ и графена влияет сильное электрическое поле. Оно необходимо для работы полевых холодных катодов, в которых под его действием происходит эмиссия электронов и в результате получается электрический ток. Источником электронов в данном случае выступает лезвийный гибрид. Атомарная толщина графена обеспечивает большие токи, а контакт листа с трубкой предотвращает разрушение структуры. В совокупности все это гарантирует стабильную работу катода и повышенную долгосрочность.

С помощью молекулярно-динамического моделирования и квантово-механических методов исследователи выяснили, как ведет себя лезвийный гибрид при наложении сильного электрического поля напряженностью 1–10 В/нм и выше. Оказалось, что уже при 1,5 В/нм в атомной структуре гибрида появляются первые дефекты, а с повышением напряженности поля происходит полный отрыв лезвия-графена от нанотрубки. Это происходит потому, что механическая сила электрического поля заставляет лист вибрировать, а трубку деформирует, вынуждая ее сжиматься и растягиваться с определенной периодичностью. В определенный момент происходит разрушение лезвийного гибрида.

«Вектор дальнейших исследований ориентирован на изучение физических свойств пленок на основе графен-нанотрубных квази-1D-гибридных структур. Предполагается, что такие изделия будут представлять собой регулярно расположенные лезвийные гибриды. Предстоит провести прогностическое in silico исследование с позиции выявления оптимального расстояния между наноструктурами для обеспечения максимально возможного электрического тока»,— подводит итог руководитель проекта по гранту РНФ Ольга Глухова, доктор физико-математических наук, профессор, заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета.

Использованы материалы статьи Electronic properties and behavior of carbon network based on graphene and single-walled carbon nanotubes in strong electrical fields: quantum molecular dynamics study; Michael M. Slepchenkov, Olga E. Glukhova; журнал Nanotechnology, апрель 2022 г.