Травление веселящим газом упростило получение полупроводниковых нанотрубок

Одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) имеют множество применений, обусловленных уникальным набором свойств. При этом важно иметь инструменты для получения нанотрубок со строго определенными характеристиками — размером, количеством дефектов, хиральностью. Последняя, кроме прочего, определяет, обладает ли нанотрубка полупроводниковыми или металлическими свойствами; в материале на основе ОСУНТ для конкретной задачи должно быть и конкретное соотношение обоих сортов.

Есть несколько способов регулировать количество трубок разной хиральности. Во-первых, можно синтезировать наноструктуры сразу с нужными свойствами, однако масштабировать такие подходы нельзя из-за термодинамических ограничений и неоднородности используемых катализаторов. Во-вторых, можно обрабатывать уже готовый материал: разделяя трубки разной хиральности достаточно трудоемкими методами; путем селективного травления переводить металлические структуры в полупроводниковые и наоборот, что требует особой пробоподготовки, да и конечный материал может быть сильно поврежден.

В своей новой работе российские ученые с азиатскими коллегами предложили альтернативный подход — селективное травление ОСУНТ в виде аэрозоля (в нем же находится катализатор) мягким окислителем, а именно закисью азота. Таким образом авторам удалось избежать загрязнения поверхности нанотрубок поверхностно-активным веществом или примесями растворителя. Аэрозоль из отдельных ОСУНТ позволяет наносить их очень тонким слоем на необходимую подложку причем всего в одну стадию. Для этого потребовалось сочетание двух проточных реакторов: первый необходим для получения индивидуальных нанотрубок, а второй — для удаления тех из них, что обладают металлическими свойствами.

Нанотрубки изучали при помощи нескольких видов спектроскопических и микроскопических методов, а также теории функционала плотности с жестким связыванием — он позволил раскрыть механизм травления. Так, исходя из геометрических характеристик нанотрубки и ее электронных свойств, удалось рассчитать, что энергия адсорбции закиси азота для металлических ОСУНТ определенной хиральности оказалась меньше, чем для полупроводниковых, а значит, и термодинамически выгоднее. В результате эти нанотрубки окисляются, и остаются только полупроводниковые.

Новый способ позволил авторам получить пленки, обогащенные полупроводящими ОСУНТ до оптической селективности 97%, всего за 6 секунд при температуре в 600°С. При этом структура нанотрубок, как и их размеры, осталась неизменной. Исследователи также доказали применимость пленок на практике: их успешно использовали в качестве материала для изготовления каналов тонкопленочных полевых транзисторов.

В дальнейшем подход позволит расширить и масштабировать применимость материалов на основе ОСУНТ в электронике.