Российские ученые представили новый подход к синтезу нанополос графена внутри одностенных углеродных трубок с применением метода «снизу-вверх» и специфических исходных молекул (DBBA, DBTP и др.). Результаты исследования открывают возможности для изучения свойств нанополос и их практического применения. Работа опубликована в журнале Physics of Wave Phenomena.
Оптические и электрические свойства узких нанополос графена зависят от их конфигурации. Это делает данный материал перспективным для применения в нано- и оптоэлектронике. Однако до сих пор синтез и стабильность этих структур являются сложной задачей.
В методе «снизу-вверх» образование наноструктур происходит путем сборки атомов или молекул в контролируемых условиях. Такой способ позволяет создавать графеновые полосы с заданной шириной, структурой и свойствами. Для сборки структуры используются специальные молекулы—прекурсоры. Из них в процессе синтеза образуются нанополосы. Выбор прекурсора является ключевым фактором при синтезе нанополос, он определяет структуру нанополос, позволяет управлять шириной и конфигурацией системы.
Пример синтезированных нанополос внутри одностенных углеродных нанотрубок. Схематичный вид полосы графена типа 7а внутри нанотрубки
Источник: © Елена Образцова.
Российские ученые разработали метод синтеза нанополос внутри одностенных нанотрубок. Применение углеродных нанотрубок имеет множество преимуществ: внутренний канал трубок способствует формированию одномерных наноструктур, а их диаметр ограничивает количество структур, образованных внутри.
«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», — добавляет Александр Тонких, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ и ИОФРАН.
Для анализа полученных структур исследователи применили методы спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света, оптического поглощения и фотолюминесценции. Спектры КР образцов подтвердили, что нанополосы имеют структуру типа «кресло» с тремя димерными линиями атомов углерода, которые укладываются в поперечном направлении нанополосы.
Ученые впервые получили яркую фотолюминесценцию с максимумами в УФ/синем (385 нм в пленках, 410 нм в суспензиях) и зеленом (555 нм в пленках) спектральных диапазонах. Проявление яркой фотолюминесценции подтверждает высокое качество синтезированных наноструктур. А различия в спектрах пленок и суспензий указывают на важность влияния окружающей среды. Все эти свойства открывают новые возможности для создания графеновых наноструктур с управляемыми оптическими свойствами.
Предложенный подход к синтезу обеспечивает формирование высококачественных нанополос графена определенной структуры внутри одностенных углеродных нанотрубок. Полученные образцы обладают отличными оптическими свойствами, что делает их перспективными для материалов с управляемыми свойствами.
«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 ИОФРАН.
В работе участвовали ученые из Института квантовых технологий МФТИ и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.
Научная статья: Fedotov, P.V., Tonkikh, A.A. & Obraztsova, E.D. Optical Properties of 3a-Graphene Nanoribbons in Single-Wall Carbon Nanotubes. Phys. Wave Phen. 33, 102–109 (2025). DOI: 10.3103/S1541308X25700049
