Ученые из США добились успеха при внедрении в углеродные нанотрубки примеси азота при помощи метода, подразумевающего простое управление количеством активного газа, содержащего азот, в процессе роста. Достигнутый ими результат означает, что метод мог бы использоваться для гибкого управления электронным характером подобных наноструктур, которые можно было бы применять в энергетике, устройствах хранения данных и т.п.

Измерения показывают, что углеродные нанотрубки с примесью атомов азота гораздо лучше проводят электрический ток, нежели чистые углеродные нанотрубки. Это связано с тем, что атомы примеси сдвигают уровень Ферми в полупроводнике в направлении зоны проводимости.

Таким образом, азотная примесь открывает широчайшие возможности для управления проводимостью нанотрубок.

В частности, это свойство может быть использовано для создания нанотрубок, имеющих различные уровни Ферми на разных своих концах, т.е., фактически, имеющие разную проводимость (для этого достаточно просто включить в нанотрубку с разных концов различное количество примеси). Это позволило бы разрабатывать всевозможные инженерные материалы с самым широким диапазоном применений.

До сих пор исследователи не могли найти способ легко внедрять атомы азота в углеродные нанотрубки и управлять их количеством во время роста в режиме реального времени. Однако ученые из США предложили свое решение проблемы. Подробные результаты их работы опубликованы в журнале ACS Nano.

Исследователи из Rice University и Vanderbilt University (США) использовали методику, известную как супер-рост (supergrow) в комплексе с ультратонким каталитическим слоем железа толщиной 0,5 нм. Это позволило выращивать одностенные нанотрубки, которые самостоятельно собираются в вертикально-ориентированные структуры, закрепленные на ультратонком каталитическом слое. Рост углеродных нанотрубок в этой системе происходит быстро за счет присутствия небольшого количества водяных паров в объеме, где находятся нанотрубки.

Для добавления в растущие углеродные нанотрубки примеси ученые просто объединили в своей работе несколько методов, открытых ранее; в частности, описанную выше идею супер-роста с использованием прекурсора, который распадается на активные молекулы с тройной связью между углеродом и азотом. Таким образом, в процессе роста в нанотрубку попадают и атомы азота. При этом количество примеси можно контролировать при помощи простого регулирования количества прекурсора. Также ученые обнаружили, что цианистый водород (HCN) может обеспечить включение необходимого числа атомов азота в углеродную нанотрубку (т.е. выступать в роли прекурсора). Стоит отметить, что структура цианистого водорода очень похожа на C₂H₂ – наиболее активного вещества, способствующего росту чистых углеродных нанотрубок.

Еще одним важным результатом эксперимента стало то, что ученым удалось точно измерить достаточно низкое содержание примесей в нанотрубках. Существовавшие до сих пор методы позволяли измерить концентрации примесей от 0,2 до 0,5 атомных процентов – т.е. с точностью, которая слишком мала для использования в нанотехнологиях.

Новый метод, предложенный учеными, позволяет измерять концентрации атомов азота в углеродных нанотрубках до 10–5 атомных процентов.

Исследователи считают, что выполненная работа – это огромный шаг в направлении контролируемого внедрения примесей в углеродные наноматериалы.

Углеродные нанотрубки с примесью азота могут использоваться для создания более проводящих структур в рамках устройств сохранения энергии (например, суперконденсаторов) или для формирования легких проводов из углеродных нанотрубок. На подобные компоненты уже сейчас существует большой спрос, к примеру, в космической промышленности (хотя на данный момент в этих областях применяется обычная медь).

Следующим шагом ученые планируют исследовать свойства выращенных нанотрубок как на макро-уровне, так и на уровне одной нанотрубки.