Новые стратегии расширения технологических возможностей ионно-плазменного выращивания перспективных гибридных функциональных углеродных наноматериалов с программируемыми свойствами

C 25 по 26 декабря 2020 года в Гостевом Доме ученых "Эдем" будет проведен Росcйско-Турецкий научный онлайн-семинар на тему "Новые стратегии расширения технологических возможностей ионно-плазменного выращивания перспективных гибридных функциональных углеродных наноматериалов с программируемыми свойствами".

В мероприятии примут участие ученые из следующих научных организаций Турции:
- Department of Physics, Bilkent University, Cankaya, Ankara;
- Computational Nanoscience and Materials Research Group, Department of Physics,
Bilkent University, Cankaya, Ankara;
- Advanced Research Laboratories (ARL), Department of Physics, Bilkent University,
Cankaya, Ankara.

На cеминаре будут рассматриваться и обсуждаться новые технологические возможности выращивания перспективных гибридных функциональных углеродных наноматериалов с программируемыми свойствами.

Для углеродных наноматериалов разнообразие свойств определяется разнообразием структурных модификаций при неизменном химическом составе. Широкий диапазон свойств углеродных материалов определяется возможностью нахождения в различных гибридизированных состояниях атомов углерода в разных соединениях.

В основу схемы классификации углеродных аллотропов положена гибридизация углеродных атомов. Согласно этой схеме, каждое из трех основных валентных состояний xарактеризует определенную и единственную аллотропную форму: sp3-гибридизация соответствует алмазу (3D-структура); sp2-гибридизация — слоевому графиту (2D-структура); sp-гибридное состояние — линейно-цепочечному карбину (1D-структура).

После теоретического открытия 50 лет назад одномерная форма углерода (карбин) и сегодня привлекает внимание исследователей благодаря выдающимся механическим и электронным свойствам. В то же время синтез макроскопических кристаллов карбина осложняется нестабильностью и высокой химической активностью sp1-углерода.
Линейные цепочки присутствуют в парах углерода при температуре выше 5000 К так же, как и
в молекулярных облаках холодных звезд. Астрономы обнаружили карбин в материале некоторых метеоритов, астероидов и в облаках межзвездной пыли. Технология выращивания этого уникального углеродного материала проста: он самоорганизуется в вакууме.

Большие перспективы, в частности, открываются для двумерно-упорядоченного линейно-цепочного углерода (ДУ ЛЦУ), представляющего собой квантовые «нити» углерода. Каждая квантовая «нить» имеет особые свойства, а «нитей» этих – миллионы.

Вдоль цепочек ЛЦУ проявляется квантовая баллистическая проводимость (сверхпроводимость при нормальной температуре), а поперек – высокие диэлектрические свойства. Проводимость в направлении, перпендикулярном поверхности пленки, в 106 раз превышает проводимость вдоль поверхности.

Согласно прогнозам, подобная форма углерода имеет механическую прочность значительно выше таковой для алмаза, низкую работу выхода электронов и хорошую биосовместимость, что обеспечивает его широкое применение, в частности для холодных катодов и миниатюрных устройств наноэлектроники. Одной из основных областей применения низкоразмерных модификаций углерода является создание новых уникальных приборов электронной техники. В частности, на основе линейно-цепочечного углерода могут быть созданы новые типы дисплеев и источников света,
рентгеновские трубки, приборы ночного видения и ядерные батареи. Применение современных углеродных материалов позволяет значительно повысить функциональные характеристики приборов, одновременно уменьшив их себестоимость.

Относительно недавние исследования позволили синтезировать устойчивый карбиноподобный материал, представляющий собой двумерно упакованный гексагональный массив углеродных цепей, удерживаемых силами Ван дер Ваальса на расстоянии порядка 5 ангстрем.

Метод ионно-стимулированного осаждения углеродных пленок, основанный на неупругом взаимодействии ионов с поверхностью растущей пленки углерода был впервые разработан научной группой из МГУ. В результате такого взаимодействия на поверхности пленки образуются возбужденные состояния атомов углерода, приводящие к росту метастабильных форм углерода. В частности, при облучении пленки медленными ионами аргона в определенных энергетических интервалах на поверхности подложки формируются ориентированные цепочки sp1 -углерода.
Этот важный результат был опубликован в 1992 году.

Sp1-связи образуются только в узком диапазоне оптимальных режимов и параметров синтеза. Варьируя режимы ионно-плазменного синтеза, можно регулировать соотношения гибридизации (sp1 и sp2) в нужном направлении. Соответственно, двумерно-упорядоченные матрицы линейно-цепочечного углерода выращиваются методом ионно-стимулированной конденсации из углеродной плазмы в узком диапазоне оптимальных параметров. Существует принципиальная возможность изменения типа атомной и электронной структуры низкоразмерных углеродных материалов путем изменения условий ионно-стимулированного синтеза.

Электрофизические свойства ДУ ЛЦУ определяются распределением типов ковалентной связи и видом гибридизации орбиталей атомов углерода. Изменение режимов синтеза (энергии и притока стимулирующего пучка ионов, типа подложки и геометрии эксперимента, введение легирующих примесей) позволяет управлять зонной структурой материала, в частности осуществлять
переход металл-полупроводник.

Фундаментальной проблемой в данной области является отсутствие детальных исследований,
а следовательно, понимания взаимосвязи режимов ионно-стимулированного синтеза, структуры и свойств тонких слоев ДУ ЛЦУ, в том числе легированных, на металлических и полупроводниковых подложках с различным типом проводимости.

В рамках семинара будут рассмотрены фундаментальные механизмы программирования самоорганизации наноструктур при ионно-плазменном выращивании двумерно-упорядоченных карбиноподбных нано-матриц и разработка нейросетевого инструментария программировании их свойств.

За счет внедрения в выращиваемую матрицу ДУ ЛЦУ атомов различных элементов, принадлежащих различным группам (подгруппам) и периодам периодической таблицы Менделеева, открывается возможность получать наноматериалы, обладающие уникальными электрофизическими, оптическими, механическими, топографическими и структурными характеристиками, разнообразными биологическими и химическими свойствами. Эти наноматериалы будут способны служить основой для разработки новых функциональных наноматериалов, покрытий и наносистем различного функционального назначения.

Данное исследование выполняется при финансовой поддержке РФФИ и ТУБИТАК в рамках научного проекта № 20-58-46014.

Более подробно ознакомиться с содержанием проекта можно по ссылке:
http://www.wcrc.ru/Russian-Turkish-JRP.html.