Не вызывают сомнений перспективы использования углеродных нанотрубок в электронике, электрохимии, для создания новых сверхпрочных материалов. Проблема - в разработке сравнительно недорогих и высокоэффективных технологий получения нанотрубок с заданными характеристиками и в больших количествах. Усилия разработчиков сосредоточены на методе химического осаждения паров, основанном на термическом разложении углеродосодержащих газов на поверхности металлического катализатора. Катализатором процесса используют наночастицы таких металлов, как железо, никель, кобальт. В результате получают "лес" вертикально ориентированных многослойных нанотрубок, разброс диаметров которых соответствует разбросу размеров частиц металлического катализатора. Попытки уменьшить этот разброс наталкиваются на технологические трудности получения металлических частиц одинаковых размеров.

Недавно группа японских исследователей во главе с первооткрывателем нанотрубок С.Иджимой нашла способ преодоления указанных трудностей. Способ основан на обнаруженной авторами связи между толщиной металлической пленки, используемой в качестве катализатора, и средним диаметром синтезируемых нанотрубок. Тем самым возникает возможность получать нанотрубки требуемого диаметра просто в результате изменения толщины металлической пленки. В эксперименте при выращивании углеродных нанотрубок использовали 11 пленок железа различной толщины в диапазоне от 0.8 до 1.9 нм.

Пленки железа напыляли на кремниевую подложку размером 20 х 20 мм², покрытую слоем Al₂O₃ толщиной 30 нм. В результате нагрева однородная металлическая пленка превращается в слой упорядоченных частиц железа, размер которых соответствует толщине пленки. Таким образом формируются однородные по размеру частицы катализатора. В качестве источника углерода использовали этилен, прокачиваемый через реактор при температуре 750 ^оС со скоростью 10 - 150 см³/мин. Для повышения срока службы и эффективности катализатора к этилену добавляли небольшое количество паров воды (от 0.002 до 0.05 %). Синтез нанотрубок производили в течение 10 - 30 мин.

Рис.1. Зависимость среднего диаметра синтезированных нанотрубок от толщины железной пленки

Зависимость среднего диаметра синтезированных углеродных нанотрубок от толщины пленки представлена на рис.1. Измерения выполнены с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения. В общей сложности проанализировано 1432 индивидуальных однослойных, двухслойных и многослойных нанотрубок диаметром от 1 до 5 нм. Как видно, представленная на рисунке зависимость близка к линейной, что подтверждает возможность получения нанотрубок заданного диаметра выбором нужной толщины пленки катализатора. Три области изменения толщины пленки, отмеченные на рисунке фигурными скобками, соответствуют преобладанию однослойных нанотрубок (левая область), комбинации однослойных и двухслойных нанотрубок (центральная область) и преобладанию двухслойных нанотрубок определенного диаметра (правая область). Стрелкой показана точка максимального относительного выхода двухслойных нанотрубок.

Изменение толщины пленки катализатора приводит не только к пропорциональному изменению среднего диаметра нанотрубок, но и к изменению характера распределения нанотрубок по диаметру. Это обусловлено изменением состава синтезируемых нанотрубок с ростом толщины пленки. Максимальный выход двухслойных нанотрубок наблюдается при толщине пленки катализатора 1.69 нм и составляет ~ 85%

Типичная длина углеродных, синтезируемых при использовании метода химического осаждения паров, составляет несколько микрон. Согласно общепринятым представлениям о механизме роста нанотрубок, основной фактор, препятствующий дальнейшему росту нанотрубок, связан с отравлением катализатора, эффективность действия которого снижается по мере роста нанотрубок. При добавлении паров воды, которая, по предположению авторов, предотвращает окисление поверхности катализатора, продолжительность эффективной работы катализатора возрастает настолько, что длина синтезируемых нанотрубок достигает величины 2.2 мм (т. е. возрастает почти на три порядка в сравнении с полученными традиционным методом). Этот результат также создает серьезные предпосылки для массового производства нанотрубок как основы для новых сверхпрочных материалов.

Источник информации - заметка А.В.Елецкого в бюллетене ПерсТ, выпуск 19 за 2006 г.