Специалисты Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" объяснили механизм устойчивости допированных фуллеренов, тем самым упростив их промышленное производство и применение (например, в качестве наноэлементов для электроники). Статья об этом исследовании опубликована в авторитетном научном журнале "Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures".
Углерод – один из самых распространенных на земле химических элементов, входящий в состав всех органических и многих неорганических соединений. До конца XX века было известно только две его аллотропные формы – алмаз и графит. К сегодняшнему дню ученые открыли множество новых форм, которые уже используют в электронике, фармакологии, энергетике.
Одной из наиболее перспективных подобных форм являются фуллерены – сферообразные полые кластеры, содержащие от 20 до нескольких сотен атомов углерода. Их открытие было отмечено Нобелевской премией по химии за 1996 год. Оказалось, что каждый фуллерен может выступать, как готовый наноэлектронный прибор – например, диод или транзистор. Благодаря своим размерам такие "приборы" очень эффективны и обладают исключительным быстродействием.
Следующим этапом развития фуллереновых технологий стало использование химически модифицированных фуллеренов. Распространенным способом модификации является замещающее допирование – замена одного или нескольких атомов углерода атомами другого элемента. При этом общая структура фуллерена сохраняется, но его электронное строение и химическая активность меняются. Таким образом, замещающее допирование увеличивает вариативность свойств фуллеренов и, следовательно, расширяет возможности их использования.
В качестве замещающих элементов обычно используют ближайшие соседи углерода в таблице Менделеева: бор или азот, чьи атомы близки к атомам углерода по массе и размерам. Кроме того, допированные этими элементами фуллерены выступают хорошими адсорбентами лекарственных средств и нервнопаралитических газов, эффективно поглощая примеси.
Однако бурный всплеск интереса к их промышленному синтезу позволил обнаружить и то, что производство допированных азотом фуллеренов имеет высокий процент "брака" – дефектных изомеров, отличающихся от остальных по структуре и свойствам. Под действием высоких температур, необходимых для синтеза, в них возникали так называемые "дефекты Стоуна-Уэльса", приводящие к дестабилизации фуллеренового каркаса. И, что важно – такой проблемы не возникало с фуллеренами, допированными бором: те оказывались устойчивыми к высоким температурам.
Объяснить эту особенность взялись доценты Кафедры физики конденсированных сред ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Константин Катин и Михаил Маслов. Для изучения они выбрали самый маленький фуллерен, состоящий всего из 20 атомов. Из-за своего малого размера он менее стабилен, чем другие фуллерены. Потому именно в нем должны были наиболее ярко проявиться причины, приводящие к возникновению дефектов.
Взаимодействие атомов фуллерена и распределение электронов внутри его объема описывались в рамках специальных математических моделей, основанных на законах квантовой механики. Для расчетов ученые использовали как специализированные программные пакеты, так и уникальные программы самих авторов. Главная трудность состояла в том, чтобы установить геометрию "седловой точки": конфигурации фуллерена, при прохождении которой обычное термическое возбуждение становится необратимым – и обязательно приводит к возникновению дефекта.
Полученные в НИЯУ МИФИ результаты позволили полностью объяснить механизм устойчивости допированных фуллеренов. На основании квантово-механических уравнений авторы доказали, что, в отличие от бора, даже единственный атом азота дестабилизирует скелет фуллерена. Это связано с наличием у атома азота одного дополнительного, по сравнению с углеродом, электрона.
"Оказалось, что для разрушения исходного фуллерена С20 нужно затратить 4.93 эВ энергии, а для разрушения допированного фуллерена C19N – только 2.98 эВ. Кластеры с более высоким содержанием азота еще менее устойчивы. Полученные данные позволили сделать вывод о том, что допированные азотом фуллерены очень чувствительны к температурному режиму: понижение температуры в реакторе всего на ~20°C приведет к существенному уменьшению доли дефектных фуллеренов", – объясняет Константин Катин.
После выхода публикации работой активно заинтересовались исследователи из разных стран, занимающиеся проблемами производства и использования допированных фуллеренов. В ближайшие годы может быть создана технология синтеза допированных азотом фуллеренов при пониженных температурах. Она позволит решить проблему дефектных изомеров и обеспечит воспроизводимость свойств получающихся кластеров.