Исследователи из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Сколтеха и Токийского университета представили оригинальный способ создания графеновых нанолент, которые оказываются выровненными на макроуровне, то есть ориентированы строго в одном направлении по всей площади образца. Такие структуры рассматриваются как перспективная основа для будущих электронных и оптоэлектронных устройств: от гибких дисплеев и высокочувствительных сенсоров до миниатюрных процессоров, где важен точный контроль над направлением движения света и электрического тока.
Графеновые наноленты представляют собой узкие полоски графена шириной всего в несколько атомов. Благодаря такой геометрии они ведут себя как одномерные системы, их свойства резко меняются в зависимости от ориентации относительно падающего света или внешнего поля. Уже несколько лет наноленты называют кандидатами для транзисторов нового поколения, высокочувствительных оптических элементов и сенсоров. Но для того, чтобы их уникальные свойства проявлялись в реальных устройствах, необходимо, чтобы огромное количество нанолент лежали строго параллельно. Малейшее отклонение или «расползание» разрушают анизотропию – направленную природу оптического отклика. На металлических подложках наноленты действительно могут расти ориентированными, но их последующий перенос нарушает порядок. Поэтому исследователи предложили более изящный подход: они взяли уже выровненную матрицу из однослойных углеродных нанотрубок и синтезировали наноленты прямо внутри этих трубок, которые выступают в роли идеальных прямолинейных наноканалов.
Сам процесс синтеза состоял из двух этапов. Сначала внутрь нанотрубок в вакууме ввели органический предшественник – 4,4’’-дибром-p-терфенил, представляющий собой цепочку из трех бензольных колец с двумя атомами брома по краям. При нагреве до 320 °С молекулы теряли бром и соединялись в узкие трехатомные наноленты. Затем температуру повысили до 750 °С, и соседние узкие ленты «сшились» в более широкие шестирядные. Стенки нанотрубок ограничивали их рост, не позволяя отклоняться вбок, поэтому все сформированные наноленты автоматически выравнивались вдоль осей – так же, как первоначально были ориентированы сами углеродные трубки.
Чтобы убедиться, что наноленты действительно сформировались и сохранили ориентацию, исследователи применили несколько методов анализа. Просвечивающая электронная микроскопия показала тонкие графеновые полосы внутри трубок, местами принимающие изогнутую форму из-за ограниченного пространства. Главным же инструментом стала поляризационная рамановская спектроскопия. Этот метод позволяет измерять интенсивность рассеянного света при разных углах между направлением поляризации лазера и ориентацией нанолент. Оказалось, что ключевые сигналы нанолент резко усиливаются, когда лазер поляризован вдоль их направления, и почти исчезают, если повернуть образец на 90 градусов. Такая выраженная анизотропия однозначно указывает на то, что наноленты выровнены в одном направлении и полностью наследуют ориентацию матрицы нанотрубок.
Дополнительное подтверждение дали теоретические расчеты, выполненные в рамках теории функционала плотности. Моделирование предсказало частоты основных колебаний атомов в наноленте и точно воспроизвело наблюдаемую угловую зависимость рамановских сигналов, совпадая с экспериментальными данными.
Разработанный способ открывает путь к созданию макроскопических пленок с контролируемой направленностью электронного и оптического отклика. Таких материалов давно не хватает для детекторов, оптических элементов и наноэлектронных устройств, где ориентация структуры принципиально важна. В дальнейшем он может быть использован для синтеза других типов графеновых нанолент и для изучения того, как направленная организация влияет на свойства будущих устройств.
