(Sinistra) Illustrazione del rotolamento del grafene in CNT di diverse strutture, indicato da due indici, come (8, 4). (A destra) Immagini al microscopio di una serie di CNT con diametro medio di 1,21 nm. Credito:IBS
Ricerca pionieristica pubblicata su Natura dal team del Professor Feng Ding del Center for Multidimensional Carbon Materials, all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS), in collaborazione con il team del professor Jin Zhang, all'Università di Pechino e colleghi, ha dimostrato come controllare la sintesi di speciali minuscoli cilindri di carbonio noti come nanotubi di carbonio (CNT), per sintetizzare array orizzontali di CNT con la stessa struttura.
Grazie alla loro eccezionale meccanica, proprietà elettriche e termiche, I CNT sono considerati un'eccellente alternativa al silicio per la microelettronica di prossima generazione. Però, poiché le proprietà elettroniche dei CNT dipendono dalla struttura, trovare un modo affidabile per sintetizzare CNT con la stessa struttura, piuttosto che un mix di diversi tipi, hanno tenuto perplessi gli scienziati negli ultimi 20 anni.
I CNT assomigliano a fogli di grafene arrotolati per formare minuscoli tubi, 100, 000 volte più sottile di un capello umano. In realtà, però, nessun rotolamento è coinvolto nel processo di sintesi, e i CNT di solito crescono dalle superfici di minuscole particelle metalliche, chiamati catalizzatori, tramite deposizione di vapore chimico catalitico. Oltre ad essere una struttura di supporto, il catalizzatore decompone le molecole di idrocarburi in atomi di carbonio che formano i nanotubi di carbonio e facilita l'inserimento degli atomi di carbonio nel cilindro in crescita. Nel 2014, Ding e i suoi collaboratori hanno scoperto che utilizzando catalizzatori in lega di metallo solido, come W6Co7, può portare alla sintesi di CNT con strutture specifiche. Nel loro articolo più recente, hanno ampliato questa conoscenza molto di più.
La (a) misurazione Raman indica chiaramente la predominanza di CNT con (8, 4) struttura nel campione preparato utilizzando WC come catalizzatore. (b) Sia l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) che il pattern di diffrazione elettronica dei CNT sintetizzati hanno dimostrato che la struttura dei CNT dominanti è (8, 4). Credito:IBS
Come in un gioco di navi da guerra in cui la posizione delle barche è definita da due numeri, la struttura dei CNT è definita da una coppia di indici. Gli scienziati dell'IBS hanno scoperto che potevano crescere sia conducendo (12, 6) e semiconduttori (8, 4) CNT ad altissima selettività. Queste strutture sono altamente desiderate per possibili applicazioni in dispositivi a transistor.
Considerando la simmetria dei catalizzatori, la cinetica della crescita dei CNT e la dimensione delle particelle di catalizzatore, i ricercatori potrebbero sintonizzare la produzione di CNT verso un tipo predominante. Quando si utilizza carburo di tungsteno (WC) come catalizzatore, l'(8, 4) Si scopre che i CNT crescono in modo preferenziale, mentre se si utilizzasse il carburo di molibdeno (Mo2C), il (12, 6) la struttura era predominante. "Un catalizzatore specifico può produrre un gruppo specifico di CNT poiché condividono la stessa simmetria, " spiega il Prof. Ding. Inoltre, i CNT crescono in parallelo su un substrato e quindi possono essere utilizzati direttamente per applicazioni di dispositivi.
L'(8, 4) La purezza dei CNT ha raggiunto l'80-90%, che è tra i più alti mai raggiunti sperimentalmente. "I calcoli teorici dimostrano che la selettività potrebbe essere maggiore del 99,9%, indicando che c'è ancora un ampio margine di miglioramento, " spiega il Prof. Ding. Dopo aver prodotto semiconduttori (8, 4) Array di CNT per la prima volta, il team mira a comprendere e controllare la formazione di tutti i tipi di nanotubi di carbonio, e migliorare la selettività in futuro.
(a) Come in un gioco di navi da guerra con la posizione a forma di esagoni anziché di scatole, I CNT sono definiti da due indici. Questi due numeri indicano strutture diverse. Tra tutti i possibili CNT che si possono formare, questo è, uno per ogni combinazione dei due numeri, solo quelli in blu si adattano alla simmetria del catalizzatore solido sottostante (WC, mostrato come palline grigie). Sono quelli i cui due indici possono essere divisi per 4. (b) Allora, secondo il tasso di crescita, gli scienziati si sono ridotti a solo due strutture di CNT che potrebbero crescere rapidamente:l'(8, 4) e il (12, 4). Alcuni CNT, come (12, 0) sono stati eliminati perché il loro bordo piatto non consente l'incorporazione rapida di atomi di carbonio. (c) Infine, gli scienziati hanno controllato la dimensione del catalizzatore e hanno scoperto che (8, 4) CNT è quello che si adatta al catalizzatore piccolo. Controllando la dimensione del catalizzatore, può essere sintetizzato un solo tipo di CNT, in modo che la purezza della matrice risultante migliori. (d) In questo studio, scienziati sono riusciti a ottenere l'80-90% di (8, 4) CNT con una piccola frazione di altri tipi. Teoricamente, Gli scienziati dell'IBS prevedono che, nelle condizioni ottimali, la purezza del (8, 4) I CNT potrebbero raggiungere il 99,9% o più. Credito:IBS
