Сразу же после открытия углеродных нанотрубок (УНТ) начался поиск путей соединения их друг с другом с целью конструирования УНТ-структур для различных наноустройств.

Речь здесь идет не только об увеличении длины одной отдельно взятой УНТ за счет последовательного соединения нескольких УНТ, но и о создании достаточно сложных разветвленных сеток УНТ, в которых присутствуют T-образные или Y-образные контакты между УНТ (рис.1).

В работе [1] ученые из National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Цукуба, Япония) предложили новый способ соединения УНТ путем пропускания через них электрического тока. При этом УНТ располагались между двумя электродами (иглой из W и проводом из Pd), на которые подавалось напряжение. Смещение УНТ по всем трем пространственным направлениям контролировали пьезодатчиком с точностью выше 0.5 нм, а непрерывное наблюдение за процессом формирования контактов проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Рис. 1. Схематическое изображение трех типов контактов между УНТ: (a) контакт «шапка-к-шапке» между УНТ одинакового диаметра, (b) контакт «шапка-к-шапке» между УНТ разного диаметра, ( c ) контакт «шапка-к-стенке». Стрелка показывает направление электрического тока.

Самым простым оказалось изготовить контакты «шапка-к-шапке» между одностенными УНТ одинакового диаметра (рис. 2): все 13 попыток были успешными. Две УНТ сливались в одну при увеличении U и I до 1.6 В и ≈ 6 мкА, соответственно, что отвечает плотности тока J ≈ 7×10⁸ А/см². Детали процесса слияния остались невыясненными. Это связано с тем, что оно происходит за время < 0.5 с, недостаточное для получения изображения. Тем не менее, наличие воспроизводимых пороговых величин U и I указывает на его активационный характер.

Действительно, пятиугольники из связей C-C, имеющиеся на шапках УНТ, при слиянии должны преобразовываться в шестиугольники за счет цепочки последовательных трансформаций Стоуна-Уэльса, энергия активации которых составляет несколько электронвольт. Источником этой энергии является джоулев нагрев до (600 ÷ 1200) К и, возможно, процессы электромиграции. После формирования контакта на некотором удалении от него были обнаружены локальные дефекты (рис. 2), которые образовались, по-видимому, из-за миграции пятиугольников с шапок УНТ.

Рис. 2. Соединение «шапка-к-шапке» двух однослойных УНТ одинакового диаметра. Изображены исходная и конечная конфигурации. Стрелки указывают расположение локальных дефектов (выступов), образовавшихся в процессе формирования контакта. Длина масштабной линейки 5 нм.

Для «шапка-к-шапке» соединения УНТ с различными диаметрами (например, 2 и 3.2 нм) пропускать через них ток оказалось недостаточно. Поэтому в УНТ были внедрены наночастицы W, которые, двигаясь под действием тока к области контакта, способствовали переориентации сетки связей C-C на шапках и формированию гладкой «перемычки» между УНТ, то есть фактически играли роль катализаторов, понижающих активационный барьер. Сами частицы W при этом оставались в твердом (или «квазитвердом») состоянии.

А вот добиться воспроизводимых результатов при изготовлении контактов «шапка-к-стенке» (рис. 1c) не удалось: из 8 попыток только одна оказалась успешной. И все же развитая в [1] методика существенно расширяет наши возможности по созданию разнообразных УНТ-структур. Кроме того, ее можно использовать для «залечивания» механических повреждений, возникающих в процессе работы устройств на основе УНТ.

Автор – Л. Опенов

• 1. C.Jin et al., Nature Nanotechnol. 3, 17 (2008)