В статье в журнале Science российские ученые рассказывают о том, как создать внутримолекулярный транзистор на основе углеродных нанотрубок. Исследование проводилось с зарубежными коллегами из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) и привело к созданию очень маленького транзистора, который можно будет использовать в будущих поколениях вычислительных устройств.
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой самые твердые и прочные синтетические материалы, обладают уникальными электрическими и термическими свойствами и имеют множество применений, от электроники до материаловедения. УНТ привлекают внимание исследователей с момента ранней публикации работ Радушкевича и Лукьяновича в далеких 1950-х, а также Моринобу Эндо и Милдред С. Дрессельхаус в конце 1980-х в котором он наблюдал гексагональную атомную структуру многостенных УНТ, тем самым демонстрируя, что нанотрубка представляет собой свернутый лист графена. Однако, несмотря на бурное развитие технологий, процесс разделения УНТ по их свойствам и геометрическим параметрам до сих пор остается нерешенной задачей.
«Любую углеродную нанотрубку можно представить как свернутый лист графена. При этом метод свертки определяет не только структуру трубок, но и их свойства. В зависимости от типа свертки они могут быть металлическими или полупроводниковыми», — говорит соавтор исследования, главный научный сотрудник Института биохимической физики. НЬЮ-МЕКСИКО. Эмануил (ИБГФ) РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин.
Результатом исследования стало создание внутримолекулярного транзистора на основе УНТ. Японские исследователи из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) смогли избирательно изменить диаметр отдельных нанотрубок в просвечивающем электронном микроскопе с помощью сильного нагрева и контролируемого применения механических деформаций.
«Сделано чрезвычайно интересное фундаментальное открытие. Наблюдаемый эффект может привести к разработке небольших транзисторов для будущих поколений передовых вычислительных устройств.
Фото 1 Сверху вниз, слева направо: схематическое изображение внутримолекулярного транзистора. ПЭМ-изображение УНТ после термомеханической обработки. Результаты расчетов прохождения электронного фронта через УНТ с различной хиральностью
Дмитрий Квашнин и Виктор Демин из Института биохимической физики РАН рассчитали распространение электронной волны и обнаружили, что изменение диаметра приводит к формированию непрерывного перехода металл-полупроводник-металл внутри нанометрового объекта.
«Наблюдаемые эффекты аналогичны интерференции на атомном уровне, а полученное устройство представляет собой квантовый интерферометр Фабри-Перо», — пояснил Дмитрий Квашнин.
Ученые Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС» доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Сергей Ерохин предложили принципиально новый механизм изменения диаметра нанотрубок под действием теплового и механического растяжения.
«В связи с эффектом сильного нагрева мы учли эффект испарения димеров углерода и связанный с ним процесс дефектообразования, приводящие к такому изменению структуры нанотрубок, в соответствии с экспериментальными наблюдениями», — прокомментировал соавтор автор исследования, ведущий научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Павел Сорокин.
Результаты многолетней работы указывают на перспективность управляемого изменения хиральности (свойства молекул не совпадать в пространстве со своим зеркальным отражением) одностенных углеродных нанотрубок. Это открывает возможности для создания субнанометровых транзисторов, проявляющих квантовую интерференцию при комнатной температуре. Именно такие УНТ будут востребованы в устройствах наноэлектроники следующего поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science (Science, 374 (6575) 1616-1620 (2021), 10.1126/science.abi8884)
