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Spezielle Verformungen von Nanoröhren, mit denen diese ihre Leitfähigkeit verändern können

National University of Science and Technology MISIS

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IMAGE: Picture 1 -- different types of nanotubes: 1) zigzag, 2) chiral and 3) armchair (or dentated). view more 

Credit: © NUST MISIS

Wissenschaftler des NUST MISIS Laboratorium für anorganische Nanomaterialien haben gemeinsam mit ihren internationalen Kollegen nachgewiesen, dass es möglich ist, die strukturellen und leitfähigen Eigenschaften von Nanoröhren durch Dehnung zu verändern. Dies könnte die Anwendung von Nanoröhren auf die Elektronik und hochpräzise Sensoren wie Mikroprozessoren und hochpräzise Detektoren ausweiten. Der Forschungsartikel wurde veröffentlicht in Ultramicroscopy.

Kohlenstoff-Nanoröhren können als eine Platte aus Graphen dargestellt werden, die auf besondere Weise gewalzt wird. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, sie zu "falten", was dazu führt, dass die Graphenkanten in verschiedenen Winkeln miteinander verbunden sind. Dadurch werden Nanoröhren gebildet, die "Armchair", "Zigzag" oder "Chiral" genannt werden.

Nanoröhren gelten als vielversprechende Materialien für den Einsatz in der Elektronik und Sensorik, da sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die in Produkten wie Mikroprozessoren und hochpräzisen Detektoren gut funktionieren würde. Bei der Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren ist es jedoch schwierig, deren Leitfähigkeit zu kontrollieren. Nanoröhren mit metallischen und halbleitenden Eigenschaften können zu einem einzigen Array werden, während die mikroprozessorgestützte Elektronik halbleitende Nanoröhren mit den gleichen Eigenschaften erfordert.

Wissenschaftler des NUST MISIS Laboratorium für anorganische Nanomaterialien haben gemeinsam mit einem Forschungsteam aus Japan, China und Australien unter der Leitung von Professor Dmitri Golberg eine Methode vorgeschlagen, die es ermöglicht, die Struktur von vorgefertigten Nanoröhren zu modifizieren und damit ihre leitenden Eigenschaften zu verändern.

"Die Basis der Nanoröhre - eine gefaltete Schicht aus Graphen - ist ein Gitter aus regelmäßigen Sechsecken, deren Scheitelpunkte Kohlenstoffatome sind. Wird eine der Kohlenstoffbindungen in der Nanoröhre um 90 Grad gedreht, bilden sich an dieser [Stelle] anstelle eines Sechsecks ein Fünfeck und ein Siebeneck, und es entsteht in diesem Fall ein sogenannter Stone-Wales-Defekt. Ein solcher Defekt kann unter bestimmten Bedingungen in der Struktur auftreten. Bereits in den späten 90er Jahren wurde vorhergesagt, dass die Migration dieses Defekts entlang der Wände einer hoch erhitzten Nanoröhre unter mechanischer Belastung zu einer Veränderung seiner Struktur führen könnte - eine sequentielle Veränderung der Chiralität der Nanoröhre, die zu einer Veränderung seiner elektronischen Eigenschaften führt. Es wurden bisher keine experimentellen Belege für diese Hypothese vorgelegt, aber unsere Forschungsarbeit hat einen überzeugenden Beweis dafür erbracht", so Professor Pavel Sorokin, Doktor der Physik und Mathematik und Leiter des Infrastrukturprojekts "Theoretische Materialwissenschaft der Nanostrukturen" am NUST MISIS Laboratorium für anorganische Nanomaterialien.

Wissenschaftler des NUST MISIS Laboratorium für anorganische Nanomaterialien haben Simulationen des Experiments auf atomarer Ebene durchgeführt. Zuerst wurden die Nanoröhren verlängert, um den ersten strukturellen Defekt zu bilden, der aus zwei Fünfecken und zwei Siebenecken bestand (ein Stone-Wales-Defekt, bei dem sich die verlängerte Verlängerung der Röhre zu den Seiten zu "verbreiten" begann und andere Kohlenstoffbindungen neu anordnete). In diesem Stadium änderte sich die Struktur der Nanoröhren. Mit zunehmender Dehnung begannen sich immer mehr Stone-Wales-Defekte zu bilden, die schließlich zu einer Veränderung der Leitfähigkeit der Nanoröhren führten.

"Wir waren für die theoretische Modellierung des Prozesses auf einem Supercomputer im NUST MISIS Labor für Modellierung und Entwicklung von Neuer Materialien für den experimentellen Teil der Arbeit verantwortlich. Wir freuen uns, dass die Simulationsergebnisse die experimentellen Daten [unterstützen]", fügte Dmitry Kvashnin, Co-Autor der Forschungsarbeit, Kandidat der Physikalischen & Mathematischen Wissenschaften und Forscher am NUST MISIS Laboratorium für anorganische Nanomaterialien.

Die vorgeschlagene Technologie ist in der Lage, bei der Transformation der Struktur von "metallischen" Nanoröhren für ihre weitere Anwendung in der Halbleiterelektronik und in Sensoren wie Mikroprozessoren und ultrasensitiven Detektoren zu helfen.

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