Нанореактор в действии: графеновые нанополосы вырастили внутри углеродных нанотрубок

Российские ученые разработали новый метод синтеза графеновых нанополос внутри одностенных углеродных нанотрубок. Такой подход позволяет получать стабильные, тонко настроенные наноструктуры, обладающие яркими оптическими свойствами — и открывает новые возможности для нанофотоники и оптоэлектроники. Исследование опубликовано в Physics of Wave Phenomena.

Графеновые нанополосы — это узкие ленты из атомов углерода, свойства которых напрямую зависят от их ширины и геометрии. Они могут стать базой для новых наноматериалов, но их синтез — сложная задача: структура легко нарушается, а стабильность оставляет желать лучшего.
Исследователи применили метод «снизу-вверх», при котором наноструктуры формируются из молекул-прекурсоров — например, DBBA или DBTP — под контролем условий синтеза. Такой подход позволяет точно задать ширину, конфигурацию и свойства нанополос.
Но главное преимущество нового метода — использование одностенных углеродных нанотрубок как нанореакторов.

Трубка как реактор и контейнер
Внутренний канал углеродной нанотрубки идеально подходит для сборки одномерных структур, а её жёсткие стенки ограничивают рост в поперечном направлении. В результате нанополосы собираются с высокой степенью упорядоченности и защищены от внешней среды.
«В предложенном нами методе формируются пленки варьируемой толщины из нанотрубок, заполненных нанополосами графена. Важно, что нанотрубки здесь выступают не только в качестве нанореактора, но и являются защитным контейнером для синтезированных нанополос, что позволяет в дальнейшем сохранять их структуру при различных воздействиях», — говорит Александр Тонких, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ и ИОФ РАН.

Для подтверждения состава и структуры образцов ученые использовали спектроскопию комбинационного рассеяния света, измерения оптического поглощения и фотолюминесценции. В спектрах наблюдалась характерная картина, соответствующая «кресельной» структуре нанополос — с тремя димерными линиями атомов углерода в поперечнике.
Впервые для таких структур была зафиксирована яркая фотолюминесценция с максимумами в УФ/синем диапазоне (385 нм в пленках, 410 нм в суспензиях) и в зеленом (555 нм в пленках). Это указывает на высокое качество полученных нанополос.
«Проявление яркой фотолюминесценции подтверждает высокое качество синтезированных наноструктур. А различия в спектрах пленок и суспензий указывают на важность влияния окружающей среды», — отмечают авторы.

Нанополосы на вырост

Команда уже работает над расширением структуры синтезированных нанополос за счёт дополнительной термической обработки.

«В дальнейшем мы планируем получить более широкие нанополосы графена внутри нанотрубок. Для этого будет реализована дополнительная термическая обработка синтезированных нанополос графена внутри нанотрубок, которая может приводить к латеральной сшивке нанополос в более широкие, например, состоящие из шести и девяти димерных линий атомов углерода внутри нанотрубок», — делится Елена Образцова, заведующая лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ и лабораторией спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН.

«Нанополосы графена обладают яркой люминесценцией с квантовым выходом, составляющим десятки процентов. Получение нанополос графена разной ширины важно, поскольку ширина существенно влияет на их электронные, оптические и фотолюминесцентные свойства. Ввиду сильного квантово-размерного эффекта ширина оптической и электронной запрещенных зон в нанополосах графена существенно уменьшается при увеличении ширины нанополос», — добавляет Павел Федотов, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ и ИОФ РАН.

В исследовании приняли участие ученые из Института квантовых технологий МФТИ и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.

Источник: Будешь нанореактором: одностенные углеродные нанотрубки синтезировали полоски графена — За науку