Российские ученые с помощью лазерной «сварки» создали гибридные сети, состоящие из углеродных нанотрубок и графена. Такие структуры в полтора раза тверже, чем обычные нанотрубки, а также почти вдвое лучше пропускают через себя электрический ток. Это позволит использовать их в качестве надежных проводящих элементов в нано- и биоэлектронике, например в умных часах, фитнес-трекерах, слуховых аппаратах, медицинских датчиках.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

Углеродные нанотрубки все больше привлекают внимание ученых, поскольку они прочные, хорошо проводят ток и тепло, устойчивы к скачкам напряжения и механическим повреждениям. Эти свойства позволяют использовать их в таких электронных устройствах, как биосенсоры, транзисторы, аккумуляторы. Другой перспективный материал в наноэлектронике — это графен, который по свойствам похож на нанотрубки, поскольку он состоит из того же химического элемента — углерода. Отличие лишь в том, что атомы в составе графена образуют плоскость, тогда как в нанотрубках она свернута в полый цилиндр.

Физики из Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова, Научно-производственного комплекса «Технологический центр» (Москва), Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Москва) и Саратовского национального исследовательского государственного университета (Саратов) разработали метод создания гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена.

Ученые использовали два типа нанотрубок: однослойные, стенки которых состояли только из одного слоя атомов углерода, и многослойные — их можно представить как множество цилиндров разного диаметра, вложенных один в другой. Чтобы исследовать, как соединение с графеном повлияет на свойства нанотрубок каждого типа, физики подготовили четыре типа образцов. В первом на кремниевую подложку напыляли тонкую пленку из однослойных нанотрубок, во втором — такую же, но из многослойных. Третий и четвертый образцы состояли из смеси графена и одного из типов нанотрубок. После нанесения всех слоев следовал этап наносварки, чтобы материалы прочно соединились химическими связями. Для этого исследователи использовали лазерное излучение, которое подавали короткими импульсами.

Структура гибридных материалов

Оказалось, что из-за сплавления с помощью лазера на поверхности нанотрубок образовались незначительные дефекты, но, несмотря на это, твердость всех материалов после наносварки увеличилась.

При этом пленки, состоящие из нанотрубок и графена, были тверже (в 1,4 раза для однослойных и в 1,5 раза для многослойных), чем образцы из чистых материалов. Кроме того, исследователи выявили, что электропроводность пленок тоже изменилась: гибридные наноструктуры проводили электрический ток в 1,8 и в 1,4 раза лучше.

Объяснить это можно тем, что между графеном и нанотрубками образуется большое количество химических связей, которые делают материал более прочным, а также создают особую сеть для проведения электронов. Сравнив между собой все образцы, физики определили, что наибольшими прочностью и электропроводностью обладают гибридные наноструктуры из многослойных углеродных нанотрубок и графена.

«Наше исследование показало, что высокие прочность и электропроводность гибридных материалов позволят использовать их в наноэлектронике, а также в качестве компонентов различных устройств биоэлектроники, так как они помогут повысить точность и скорость их работы. В дальнейшем мы планируем более детально изучить особенности химических связей, образующихся между компонентами гибридных структур, чтобы понять, можно ли еще улучшить их физические характеристики», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Ольга Глухова, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела математического моделирования СГУ имени Н.Г. Чернышевского.