Новости

6 мая, 2022 12:23

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. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanotechnology.
Атомистическая модель соединения графена и трубки в составе лезвийного гибрида. Источник: Slepchenkov & Glukhova / Nanotechnology, 2022

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.
18 мая, 2022
Новые графитоподобные катализаторы помогут с рекордной эффективностью получать топливо для солнечной водородной энергетики
Новосибирские ученые предложили метод синтеза высокоактивного фотокатализатора для получения водород...
16 мая, 2022
Ученые синтезировали стабильные светящиеся нанометки, перспективные для диагностики рака
Санкт-Петербургские физики вместе с коллегами из Городского университета Гонконга предложили способ ...