Нанотрубки из нитрида бора могут служить шаблоном для роста нанотрубок TMD как внутри, так и снаружи трубки. Их можно непосредственно наблюдать с помощью просвечивающей электронной микроскопии (справа).
Фото: Токийский столичный университет.

Углеродные нанотрубки — чудо нанотехнологий. Созданный путем свертывания атомно тонкого листа атомов углерода, он обладает исключительной механической прочностью и электропроводностью среди ряда других экзотических оптоэлектронных свойств, что потенциально может применяться в полупроводниках после эпохи кремния.

Ключевые особенности углеродных нанотрубок проистекают из тонких аспектов их структуры. Например, нанотрубки, как и лист бумаги, свернутый под углом, часто имеют хиральность, «рукоятность» в своей структуре, которая отличает их от своего зеркального отображения. Именно поэтому ученые с нетерпением ждут материалов, помимо углерода, которые могли бы обеспечить более широкий спектр структур.

В центре внимания находятся соединения дихалькогенидов переходных металлов (TMD), состоящие из переходных металлов и элементов 16-й группы. Мало того, что их существует целое семейство, TMD имеют особенности, которые не наблюдаются в углеродных нанотрубках, такие как сверхпроводимость и фотоэлектрические свойства, где воздействие света генерирует напряжение или ток.

Однако, чтобы полностью раскрыть потенциал TMD, ученым необходимо иметь возможность создавать одностенные нанотрубки различного состава, диаметра и хиральности таким образом, чтобы мы могли изучать их индивидуальные свойства. Это оказалось непросто: нанотрубки TMD обычно образуются в виде концентрических многостенных структур, где каждый слой может иметь разную хиральность. Из-за этого сложно выяснить, например, какой тип киральности приводит к возникновению определенных свойств.

Электронно-микроскопические изображения вновь реализованных наноструктур TMD (вверху), распределение элементов по их поперечному сечению (в середине) и их атомная структура (внизу).
Фото: Токийский столичный университет.

Теперь команда под руководством доцента Юсуке Наканиси из Токийского столичного университета придумала способ сделать именно это. Используя нанотрубки из нитрида бора в качестве матрицы, они смогли успешно вырастить целый ряд одностенных нанотрубок TMD, добавляя необходимые элементы путем воздействия пара.

В предыдущей работе они создали одностенные нанотрубки из сульфида молибдена. Рассмотрев отдельные нанотрубки более детально, они теперь выделили целое множество одностенных трубок разного диаметра и хиральности. В частности, они измерили «хиральные углы» отдельных трубок, которые вместе с их диаметром определяют уникальные хиральные структуры.

Они впервые обнаружили, что киральные углы их нанотрубок распределены случайным образом: это означает, что у них есть доступ ко всему диапазону возможных углов, что обещает новое понимание взаимосвязи между киральностью и электронными состояниями, ключевого нерешенного вопроса в поле. Были также ультратонкие трубки диаметром всего несколько нанометров, выращенные внутри шаблона, а не снаружи, что представляло собой уникальную платформу для наблюдения квантово-механических эффектов.

Изменив свой рецепт, команде теперь также удалось заменить металл и халькоген, создав нанотрубки из селенида молибдена, селенида вольфрама и сплава сульфида молибдена и вольфрама. Они даже создали нанотрубки, у которых один элемент находился снаружи, а другой — внутри, нанотрубки типа «Янус», названные в честь двуликого бога римской мифологии.

Разнообразные новые открытия команды в семействе нанотрубок обещают смелые новые успехи не только в нашем понимании нанотрубок TMD, но и в том, как экзотические свойства возникают из их структур.