Как из нанотрубки сделать крошечный транзистор
10.02.2022
В статье в журнале Science российские ученые рассказывают о том, как создать внутримолекулярный транзистор на основе углеродных нанотрубок. Исследование проведено с иностранными коллегами из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония), его результатом стало создание очень маленького транзистора, который может использоваться в будущих поколениях вычислительных устройств.
Углеродные нанотрубки (УНТ) — это самые жесткие и прочные синтезированные материалы, они обладают уникальными электрическими и тепловыми свойствами и имеют множество применений, от электроники до материаловедения. УНТ привлекают внимание исследователей с момента выхода первых работ Радушкевича и Лукьяновича в далеких 1950-х годах, а также Моринобу Эндо (Morinobu Endo) и Милдред Дрессельхаус (Mildred S. Dresselhaus) конца 1980-х. Бум нанотрубок случился в 1991 году, с работы Сумио Иидзимы (Sumio Iijima), в которой он наблюдал гексагональную атомную структуру многостенных УНТ, доказав, таким образом, что нанотрубка – это свернутый лист графена. Однако, несмотря на стремительное развитие технологий, процесс разделения УНТ по свойствам и геометрическим параметрам все еще остается нерешенной проблемой.
«Любую углеродную нанотрубку можно представить в виде свернутого листа графена. При этом способ свертки определяет не только структуру трубок, но и их свойства. В зависимости от типа свертки они могут быть либо металлическими, либо полупроводниковыми», – рассказывает соавтор исследования, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин.
Результатами исследования стало создание внутримолекулярного транзистора на основе УНТ. Японские исследователи из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) смогли путем сильного нагрева и приложения механических деформаций в контролируемом режиме избирательно изменять диаметр отдельных нанотрубок внутри просвечивающего электронного микроскопа.
«Было сделано крайне интересное фундаментальное открытие. Наблюдаемый эффект может привести к разработке крошечных транзисторов для будущих поколений передовых вычислительных устройств», — заключил ученый.
Сотрудники ИБХФ РАН Дмитрий Квашнин и Виктор Демин рассчитали распространение электронной волны и выяснили, что изменение диаметра привело к тому, что внутри одного нанометрового объекта образовался непрерывный переход металл-полупроводник-металл.
«Наблюдаемые эффекты являются аналогом интерференции на атомарном уровне, а полученное устройство — квантовым интерферометром Фабри–Перо», — пояснил Дмитрий Квашнин.
Ученые из Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС» доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Сергей Ерохин предложили принципиально новый механизм изменения диаметра нанотрубок под действием тепла и механического растяжения.
«Из-за воздействия сильного нагрева нами был принят во внимание эффект испарения углеродных димеров и связанный с этим процесс образования дефектов, которые и приводят к такому изменению структуры нанотрубок, в полном соответствии с экспериментальными наблюдениями», — прокомментировал соавтор исследований, ведущий научный сотрудник НИТУ МИСиС Павел Сорокин.
Результаты многолетней работы свидетельствуют о перспективах контролируемого изменения хиральности (свойстве молекул не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением) одностенных углеродных нанотрубок. Это открывает возможности для создания транзисторов субнанометровых размеров, демонстрирующих квантовую интерференцию при комнатной температуре. Именно такие УНТ будут востребованы в наноэлектронных устройствах нового поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science (Science, 374 (6575) 1616-1620 (2021), 10.1126/science.abi8884)
Углеродные нанотрубки (УНТ) — это самые жесткие и прочные синтезированные материалы, они обладают уникальными электрическими и тепловыми свойствами и имеют множество применений, от электроники до материаловедения. УНТ привлекают внимание исследователей с момента выхода первых работ Радушкевича и Лукьяновича в далеких 1950-х годах, а также Моринобу Эндо (Morinobu Endo) и Милдред Дрессельхаус (Mildred S. Dresselhaus) конца 1980-х. Бум нанотрубок случился в 1991 году, с работы Сумио Иидзимы (Sumio Iijima), в которой он наблюдал гексагональную атомную структуру многостенных УНТ, доказав, таким образом, что нанотрубка – это свернутый лист графена. Однако, несмотря на стремительное развитие технологий, процесс разделения УНТ по свойствам и геометрическим параметрам все еще остается нерешенной проблемой.
«Любую углеродную нанотрубку можно представить в виде свернутого листа графена. При этом способ свертки определяет не только структуру трубок, но и их свойства. В зависимости от типа свертки они могут быть либо металлическими, либо полупроводниковыми», – рассказывает соавтор исследования, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля (ИБХФ) РАН, доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин.
Результатами исследования стало создание внутримолекулярного транзистора на основе УНТ. Японские исследователи из Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) смогли путем сильного нагрева и приложения механических деформаций в контролируемом режиме избирательно изменять диаметр отдельных нанотрубок внутри просвечивающего электронного микроскопа.
«Было сделано крайне интересное фундаментальное открытие. Наблюдаемый эффект может привести к разработке крошечных транзисторов для будущих поколений передовых вычислительных устройств», — заключил ученый.
Рисунок 1 Сверху вниз, слева направо: Схематическое изображение внутримолекулярного транзистора. ПЭМ изображение УНТ после термомеханической обработки. Результаты расчета распространения электронного фронта через УНТ с переменной хиральностью
Сотрудники ИБХФ РАН Дмитрий Квашнин и Виктор Демин рассчитали распространение электронной волны и выяснили, что изменение диаметра привело к тому, что внутри одного нанометрового объекта образовался непрерывный переход металл-полупроводник-металл.
«Наблюдаемые эффекты являются аналогом интерференции на атомарном уровне, а полученное устройство — квантовым интерферометром Фабри–Перо», — пояснил Дмитрий Квашнин.
Ученые из Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС» доктор физико-математических наук Павел Сорокин и кандидат физико-математических наук Сергей Ерохин предложили принципиально новый механизм изменения диаметра нанотрубок под действием тепла и механического растяжения.
«Из-за воздействия сильного нагрева нами был принят во внимание эффект испарения углеродных димеров и связанный с этим процесс образования дефектов, которые и приводят к такому изменению структуры нанотрубок, в полном соответствии с экспериментальными наблюдениями», — прокомментировал соавтор исследований, ведущий научный сотрудник НИТУ МИСиС Павел Сорокин.
Результаты многолетней работы свидетельствуют о перспективах контролируемого изменения хиральности (свойстве молекул не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением) одностенных углеродных нанотрубок. Это открывает возможности для создания транзисторов субнанометровых размеров, демонстрирующих квантовую интерференцию при комнатной температуре. Именно такие УНТ будут востребованы в наноэлектронных устройствах нового поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science (Science, 374 (6575) 1616-1620 (2021), 10.1126/science.abi8884)
