Группа американских исследователей сумела создать необычную "конструкцию" из кремниевых нанокристаллов и углеродных нанотрубок.

Кремний, как известно, является основным материалом традиционной электроники, а углеродные нанотрубки - одним из основных "китов" нарождающейся наноэлектроники. Идея объединения кремниевых наноструктур и углеродных нанотрубок занимает умы ученых, и уже есть определенные результаты: в частности, два года назад канадским и японским ученым удалось вырастить нанотрубки между вершинами кремниевых столбиков и заставить их светиться (см. нашу новость "Светящиеся мостики" в наномире"). Однако в этих экспериментах лишь меньшая часть одностенных углеродных нанотрубков росла между вершинами кремниевых столбиков. Американским ученым из университета Висконсин-Мэдисон удалось добиться значительно лучшего результата - между вершинами кремниевых "опор" выросла подавляющая часть нанотрубок.

Рис.1. Полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение структуры.

Процедура синтеза этого наночуда довольно проста. Нанокристаллы кремния получали отжигом структуры кремний-на-изоляторе (толщина слоя кремния 10 нм) в сверхвысоком вакууме при 950 С в течение 1 минуты. При этом сплошная плёнка распадалась на совокупность нанокристаллов кремния высотой 100 - 150 нм, диаметром основания 90 нм и средним расстоянием между ними порядка 200 нм. Затем на эту поверхность наносили катализатор (осаждением слоя FePt из сильно разбавленного раствора FePt соли или испарением 1-2 нм слоя Fe). Подложку загружали в реактор, нагревали до 900 С и над ней пропускали поток смеси метана (400 см³/мин) с водородом (20 см³//мин) при давлении, близком к атмосферному.

Исследования с помощью сканирующей электронной микроскопи (рис.1) показали, что подавляющее большинство нанотрубок росли с вершин кремниевых нанокристаллов и, более того, перекидывались с одного нанокристалла на другой, не касаясь подложки (в точности как провода в линии электропередачи!). Такая необычная картина сразу ставит несколько вопросов.

Во-первых, почему рост нанотрубок начинается с вершин, ведь частички катализатора распределены равномерно (это специально проверялось)? Есть они на кремниевых кристалликах, есть и между ними и везде готовы породить нанотрубку. Моделирование газодинамической обстановки в CVD-реакторе показало, что ансамбль кремниевых наночастиц с вышеуказанными параметрами организует области застоя между островками, где скорость потока стремится к нулю, так что молекулы метана просто не доходят до катализатора, лежащего на подложке.

Во-вторых, почему образуются висячие нанотрубки? На плоской подложке нанотрубки растут вдоль поверхности, так как силы Ван-дер-Ваальса заставляют их липнуть к подложке (для трубки диаметром 10 нм энергия адгезии составляет 8 эВ/нм). Другое дело нанокристаллы кремния: если трубка начнёт расти, огибая профиль нанокристаллов, то ей придётся изгибаться- деформироваться. И если радиус скругления вершины нанокристалла меньше 500 нм, трубке энергетически выгодно отлипнуть от него, т.е. стать висячей.

Главной же загадкой остаётся некая "мистическая" направленность роста висячей нанотрубки. Откуда ей знать, где расположен соседний нанокристалл, чтобы двигаться именно в эту сторону и, наконец, припасть к его вершине? Ученые не дают ответа на этот вопрос, но сообщают статистику своих наблюдений: из 177 нанотрубок только 4 % стартовали с подложки и не стали перемычкой между кремниевыми островками, тогда как 87 % соединяют кремниевые островки. Вот уж поистине - красоты без тайн не бывает. Как бы там ни было, но углеродная наносеть на кремниевых опорах стала объективной реальностью.

Источник информации - заметка С.Чикичева в бюллетене ПерсТ, выпуск 13 за 2005 г.