7 May 2022, 0:00

Ученые исследовали свойства лезвийных гибридов из графена и углеродной нанотрубки

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.

Ученые исследовали свойства лезвийных гибридов из графена и углеродной нанотрубки
Атомистическая модель соединения графена и трубки в составе лезвийного гибрида

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 имени Н. Г. Чернышевского (Саратов) и Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова (Москва) 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, заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ, ведущий научный сотрудник Сеченовского университета.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Новая модель описала процесс создания дугового разряда в аргоне и гелии
Она также подробно описывает процесс «рождения» в газовой плазме частиц углерода, из которых в дальнейшем собираются применяемые в медицине и электронике наноматериалы
Carbon materials
Mathematical modeling
Nanotechnology
25 July 2023
Тонкий слой кремнезема позволил золотым наночастицам «сиять» ярче
Наночастицы золота, покрытые тонким слоем кремнезема, лучше рассеивают свет, чем те, что имеют плотную «шубу», а значит, их можно использовать как систему адресной доставки лекарств с «маячком» для слежения
Materials Science
Mathematical modeling
Nanomedicine
Nanophotonics
Nanotechnology
Optics
17 January 2023
Ученые предложили способ расчета нанотвердости
Не нужны тщательная подготовка и калибровка оборудования - все делается на компьютере
Materials Science
Mathematical modeling
Nanotechnology
New techniques
4 February 2022
Обнаружены новые особенности спирального антиферромагнетика GdRu2Si2
Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память.
Materials Science
Nanotechnology
Spectroscopy
26 December 2023
Покрытие с наностолбиками защитит силиконовые импланты от бактерий
Ученые из МФТИ, Института биохимии и генетики УФИЦ РАН и Тамбовского государственного технического университета разработали покрытия, которые обезопасят от микробного загрязнения импланты, вживляемые в человеческий организм.
"Smart" materials
Materials Science
Nanotechnology
23 August 2023
«Электронный нос» будет контролировать безопасность пластика вместо людей
Вместе с методами машинного обучения сенсор поможет точнее отслеживать содержание потенциально вредных веществ во вторичном пластике — отличить его от первичного уже удалось с точностью до 98,5%
Machine learning
Materials Science
Nanotechnology
Sensors
18 July 2023