Коллаборация физиков из России и Китая нашла идеальный 2D-материал для строительства устройств современной оптоэлектроники и фотоники. Также ученые предложили простой и эффективный способ расчета оптических характеристик любых материалов, состоящих из углеродных нанотрубок. Работа опубликована в журнале physica status solidi (pss) Rapid Research Letters (pss RRL).
Большую популярность 2D-наноматериалы приобрели после открытия Андреем Геймом и Константином Новоселовым, выпускниками МФТИ, графена — монослоя, состоящего из атомов углерода. Одна из производных форм графена — углеродные нанотрубки. Они стали фундаментальными строительными блоками современной оптоэлектроники и фотоники. Особый интерес представляют 2D-материалы с анизотропным оптическим откликом. Это значит, что такие материалы обладают двумя различными показателями преломления при перпендикулярном и параллельном падении луча света.
«Анизотропия в плоскости позволяет создавать новые поляризационно-чувствительные фотоприемники, электрооптическое преобразование поляризации, переключаемые нанолазеры, анизотропные волноводы, управление на предельной глубине, поляритонную канализацию, топологические особенности и многие другие интригующие явления. Для этого нанотрубки в материале должны лежать параллельно друг другу. Однако такие крупномасштабные образцы до сих пор никто не выращивал», — рассказал Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ.
Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Пекинской национальной лаборатории молекулярных наук Пекинского университета синтезировали монослой одинаково ориентированных одностенных углеродных нанотрубок и изучили его.
«Выровненные углеродные нанотрубки — материал уникальный, поскольку выровнять все нанотрубки вдоль определенного направления — довольно сложная задача. В большинстве случаев получаются нанотрубки со случайным распределением, часто в виде переплетенных между собой массивов», — добавил Георгий Ермолаев, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и первый автор статьи.
Ученым удалось синтезировать уникальный монослой нанотрубок, расположенных упорядоченно (рисунок 1а). Оказалось, что кварцевая подложка способствует выравниванию одностенных углеродных нанотрубок во время их роста. В результате 90% синтезированных углеродных нанотрубок оказались выровнены по краю подложки.
Рисунок. 1 (а) — схематическое изображение монослоя выровненных углеродных нанотрубок; (b) — изображение морфологии синтезированных нанотрубок, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии; (с) — топография полученных образцов с помощью атомно-силовой микроскопии. Источник: Rapid Research Letters.
Затем физики провели исследование свойств нового материала. Полученный монослой изучался с помощью сканирующей электронной микроскопии для определения его морфологии. Также с помощью атомно-силовой микроскопии ученые определяли топографию полученных образцов. Итоговые данные подтвердили, что толщина материала соответствует толщине монослоя (2,1 нм) и нанотрубки расположены упорядоченно.
Результаты исследования показали, что монослой выровненных углеродных нанотрубок обладает двумя разными показателями преломления и коэффициентами поглощения при падении света вдоль и перпендикулярно нанотрубкам. Высокий показатель двулучепреломления Δn=0,2 определяется разностью показателей преломления при параллельном и перпендикулярном падении луча света, а высокий показатель дихроизма Δk=0,4 задается разностью коэффициентов экстинкции, характеризующих поглощение. Эти ненулевые значения говорят как раз о том, что материал обладает высокой анизотропией. Кроме того, оптический отклик с увеличением слоев аналогичен отклику от монослоя.
«В этом отношении монослой выровненных одностенных углеродных нанотрубок является идеальным кандидатом для формирования анизотропной монослойной пленки с сантиметровым масштабом, требуемым для большинства применений», — прокомментировал Георгий Ермолаев.
Более того, ученые показали, что оптический отклик выровненных анизотропных одностенных нанотрубок можно описать в рамках модели эффективной среды с использованием параметров графена. Предложенная модель позволяет не только интерпретировать оптические константы монослоя, но и определять коэффициент заполнения углеродных нанотрубок.
«Фактический коэффициент заполнения — это, по сути, концентрация углерода в пленке выровненных углеродных нанотрубок. Оказалось, что этот параметр можно использовать для мгновенной оценки оптических свойств любых углеродных нанотрубок — как выровненных, так и со случайным распределением. Более того, мы обнаружили, что коэффициент заполнения показывает, насколько близки оптические свойства нанотрубок к свойствам графена», — пояснил Александр Чернов.
В результате исследования была разработана быстрая и эффективная бесконтактная методика определения оптических свойств любых углеродных наноматериалов.
«Далее мы планируем использовать нанотрубки для создания материалов с желаемыми оптическими свойствами. То есть, меняя направление каждой нанотрубки, можно задавать свойства пленки углеродных нанотрубок и тем самым добиваться оптимальных параметров для того или иного применения, например для создания сверхчувствительных сенсоров», — добавил Александр Чернов.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2021-606).
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — базовая организация кафедры физики и технологии наноструктур ЛФИ МФТИ. В состав Центра входят 10 лабораторий, в которых студенты под руководством ученых начинают научную работу в области исследований наноструктур и наноматериалов, в том числе двумерных материалов. Присоединиться к ним можно, поступив в бакалавриат, магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
