ИСТИНА

Цель работы - разработка методов прецизионного контроля локальной электронной структуры и транспортных свойств углеродных нанотрубок с помощью интеркаляции одномерных кристаллов различных неорганических соединений во внутренние каналы углеродных нанотрубок и создание электронной компонентной базы для полевых транзисторов на основе единичных углеродных трубок.

В рамках работы на первом этапе разрабатываются методы прецизионного контроля локальной электронной структуры и транспортных свойств углеродных нанотрубок (ОСНТ) с помощью контролируемой интеркаляции и деинтеркаляции. В качестве объектов исследования были выбраны наноструктуры на основе заполненных одностенных нанотрубок, а в качестве внедряемых соединений выступали легкоплавкие галогениды металлов (KI, CuCl,CuBr, CuI, AgCl, AgBr, AgI) и халькогены (S, Se, Te) и “тугоплавкие” полупроводниковые соединения AIIBVI и AIVBVI (A=Zn, Cd, Pb и B=S, Se, Te). На примере полупроводниковых соединений AIIBVI и AIVBVI был разработан и оптимизирован двухстадийный метод заполнения каналов одностенных углеродных нанотрубок наночастицами “тугоплавких” материалов (Тпл>900С) путем проведения химической реакции во внутренних каналах ОСНТ. Предложенный подход позволяет заполнять 50-90% каналов ОСНТ “тугоплавкими” соединениями и сформировать в них хорошо упорядоченные одномерные кристаллы CdS, ZnI2-2xSex, ZnI2-2xTex и PbI2-2xTex. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии предложены структурные модели одномерных кристаллов CuI, AgI и CdS в каналах ОСНТ диаметром 1,0-1,4 нм. Методами спектроскопии комбинационного рассеяния и спектроскопии оптического поглощения установлена корреляция между химической природой, кристаллической структурой вводимых в каналы ОСНТ наночастиц и электронной струк-турой заполненных нанотрубок. На основании исследований нанокомпозитов CdI2@ОСНТ, CdS@ОСНТ, ZnI2@ОСНТ, ZnSe@ОСНТ, ZnTe@ОСНТ, PbI2@ОСНТ и PbTe@ОСНТ методом спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что координация стенок нанотрубок с образованными наночастицами осуществляется через атомы аниона. Показано, что наночастицы галогенидов Cu, Ag, Zn, Cd, Pb, халькогенов и халь-когенидов Zn, Cd, Pb служат сильными акцепторами электронов, причем эффективность переноса заряда “ОСНТ-внедренное соединение” растет с увеличением сродства к электрону координированного с ОСНТ атома и значительно выше для галогенов. В ходе выполнения работы были оптимизированы условия заполнения внутренних каналов ОСНТ одномерными кристаллами легкоплавких йодидов калия, меди и серебра. Достигнуты степени заполнения ОСНТ более 90% одномерными нанокристаллами KI, CuI, AgI, CdS и PbI2-2xTex. В капиллярном методе синтеза из расплава преодолено ограничение по заполнению каналов одностенных нанотрубок соединениями с высокими величинами поверхностного натяжения на примере формирования нанокристаллов теллура. Также был разработан и оптимизирован метод двухстадийного заполнения одностенных нанотрубок одномерными кристаллами “тугоплавких” полупроводниковых соединений AIIBVI и AIVBVI путем проведения химической реакции во внутренних каналах ОСНТ, позволяющий достигать степеней заполнения 50-90%. Установлены корреляции между химической природой внедренных в каналы ОСНТ соединений и изменением электронной структуры заполненных нанотрубок, что позволяет рассматривать полученные нами наноструктуры в качестве активных элементов устройств наноэлектроники. На втором этапе работы получены нанокомпозиты на основе одностенных углеродных нанотрубок, заполненных галогенидами металлов MnHal2 (Hal = Cl, Br), FeHal2 (Hal = Br, I), CoHal2 (Hal = Br), NiHal2 (Hal = Cl, Br), ZnHal2 (Hal = Cl, Br, I), CdHal2 (Hal = Br), PrCl3, TmCl3 и халькогенидами металлов GaX (X = Se, Te), SnX (X = S, Te) и Bi2X3 (X = Se, Te). Разработаны методики синтеза, заключающиеся в заполнении нанотрубок расплавами этих веществ при температурах на ~100 градусов превышающих температуру плавления веществас последующим медленным охлаждением, которые позволили впервые сформировать внутри каналов ОСНТ нанокристаллы с упорядоченной структурой диаметром ~ 1 нм: FeBr2, FeI2, NiBr2, ZnI2, PrCl3, TmCl3, GaTe, Bi2Te3, SnTe. Установлено, что степень заполнения каналов нанотрубок и степень кристаллизации внедренных галогенидов и халькогенидов металлов повышается при увеличении радиусов анионов и катионов: в ряду хлорид-бромид-иодид 3d- и 4d-металла, при переходе от хлоридов 3d- и 4d-металлов к хлоридам 4f-металлов, а также в ряду сульфид-селенид теллурид металла. Выявлена зависимость электронной структуры ОСНТ от химической природы и электронной структуры внедренных в их каналы веществ. Установлено, что заполнение нанотрубок галогенидами и халькогенидами металлов, обладающими работой выхода, превышающей величину работы выхода незаполненных ОСНТ, приводит к акцепторному легированию нанотрубок, сопровождающемуся переносом зарядовой плотности со стенок ОСНТ на внедренные соединения и понижением уровня Ферми ОСНТ на ~ 0,1-0,6 эВ. При этом, для большинства электрон-акцепторных соединений характерно образование химической связи между стенкой нанотрубки и атомами металла. Для галогенидов 3d- и 4d-металлов величина сдвига уровня Ферми увеличивается в ряду иодид-бромид-хлорид металла. Кроме того, наблюдается тенденция уменьшения величины сдвига уровня.