(Izquierda) Ilustración de enrollar grafeno en CNT de diferentes estructuras, denotado por dos índices, como (8, 4). (Derecha) Imágenes de microscopio de una matriz de CNT con un diámetro medio de 1,21 nm. Crédito:IBS
Investigación pionera publicada en Naturaleza por el equipo del profesor Feng Ding del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), en colaboración con el equipo del profesor Jin Zhang, en la Universidad de Pekín y colegas, ha demostrado cómo controlar la síntesis de pequeños cilindros de carbono especiales conocidos como nanotubos de carbono (CNT), para sintetizar matrices horizontales de CNT con la misma estructura.
Debido a su excepcional mecánica, propiedades eléctricas y térmicas, Los CNT se consideran una excelente alternativa al silicio para la microelectrónica de próxima generación. Sin embargo, dado que las propiedades electrónicas de los CNT dependen de la estructura, encontrar una forma confiable de sintetizar CNT con la misma estructura, en lugar de una combinación de diferentes tipos, han mantenido a los científicos desconcertados durante los últimos 20 años.
Los CNT se asemejan a láminas de grafeno enrolladas para formar pequeños tubos, 100, 000 veces más delgado que un cabello humano. En realidad, sin embargo, no hay laminación involucrada en el proceso de síntesis, y los CNT generalmente crecen a partir de la superficie de pequeñas partículas metálicas, llamados catalizadores, a través de la deposición de vapor químico catalítico. Más allá de ser una estructura de apoyo, el catalizador descompone las moléculas de hidrocarburos en átomos de carbono que forman los nanotubos de carbono y facilita la inserción de átomos de carbono en el cilindro de crecimiento. En 2014, Ding y sus colaboradores descubrieron que el uso de catalizadores de aleación de metal sólido, como W6Co7, puede conducir a la síntesis de CNT con estructuras específicas. En su artículo más reciente, ampliaron este conocimiento mucho más.
La medida (a) Raman indica claramente el predominio de CNT con el (8, 4) estructura en la muestra preparada utilizando WC como catalizador. (b) Tanto las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) como el patrón de difracción de electrones de los CNT sintetizados demostraron que la estructura de los CNT dominantes es (8, 4). Crédito:IBS
Como en un juego de acorazados donde la posición de los barcos está definida por dos números, la estructura de los CNT se define mediante un par de índices. Los científicos del SII descubrieron que podían crecer tanto conduciendo (12, 6) y semiconductores (8, 4) CNT con muy alta selectividad. Estas estructuras son muy deseadas para posibles aplicaciones en dispositivos de transistores.
Considerando la simetría de los catalizadores, la cinética del crecimiento de CNT y el tamaño de las partículas de catalizador, los investigadores pudieron ajustar la producción de CNT hacia un tipo predominante. Cuando utilice carburo de tungsteno (WC) como catalizador, el (8, 4) Se encuentra que los CNT crecen preferentemente, mientras que si se utilizó carburo de molibdeno (Mo2C), el (12, 6) la estructura fue predominante. "Un catalizador específico puede producir un grupo específico de CNT, ya que comparten la misma simetría, "explica el profesor Ding. Además, los CNT crecen en paralelo sobre un sustrato y, por lo tanto, se pueden utilizar para aplicaciones de dispositivos directamente.
El (8, 4) la pureza de los CNT alcanzó el 80-90%, que se encuentra entre los más altos que se hayan logrado experimentalmente. "Los cálculos teóricos demuestran que la selectividad podría ser superior al 99,9%, lo que indica que todavía hay un gran margen de mejora, "explica el profesor Ding. Después de producir semiconductores (8, 4) matrices CNT por primera vez, el equipo tiene como objetivo comprender y controlar la formación de todo tipo de nanotubos de carbono, y mejorar la selectividad en el futuro.
(a) Como en un juego de barcos de guerra con la posición en forma de hexágonos en lugar de cajas, Los CNT se definen mediante dos índices. Estos dos números indican estructuras diferentes. Entre todos los posibles CNT que se pueden formar, es decir, uno por cada combinación de los dos números, solo los que están en azul se ajustan a la simetría del catalizador sólido subyacente (WC, se muestran como bolas grises). Son aquellos cuyos dos índices se pueden dividir por 4. (b) Entonces, según la tasa de crecimiento, Los científicos adelgazaron a solo dos estructuras de CNT que podían crecer rápidamente:la (8, 4) y el (12, 4). Algunas CNT, como (12, 0) se eliminaron porque su borde plano no permite la rápida incorporación de átomos de carbono. (c) Finalmente, los científicos controlaron el tamaño del catalizador y encontraron que (8, 4) CNT es el que se ajusta al catalizador pequeño. Controlando el tamaño del catalizador, solo se puede sintetizar un tipo de CNT, para que mejore la pureza de la matriz resultante. (d) En este estudio, científicos lograron obtener 80-90% de (8, 4) CNT con una pequeña fracción de otros tipos. Teóricamente Los científicos del IBS predicen que, en las condiciones óptimas, la pureza del (8, 4) Los CNT podrían alcanzar el 99,9% o más. Crédito:IBS
