Метод использования туннельного контакта для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок и способ его изготовления предложили российские физики, 21 марта пишет журнал МФТИ «За науку».

Важность проведенного исследования, результаты которого опубликованы в журнале Applied Physics Letters, заключается в том, что с помощью этого метода можно точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, являющейся ключевой характеристикой при разработке любых электронных устройств на их основе.

Свойства углеродных нанотрубок, которые можно представить как свернутый в трубку лист графена, определяются тем, каким образом этот лист был свернут относительно внутренней структуры графена. Этот способ определяет ширину запрещенной зоны, которая, в свою очередь, определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки.

Такое свойство углеродных нанотрубок очень привлекательно для разработчиков всевозможных электронных устройств. При этом возможности их применения обусловлены ширина запрещенной зоны.

В настоящее время не известен технологичный способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. Они могут вырастать с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Для определения ширины запрещенной зоны и конкретного вида распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки чаще всего используется туннельная спектроскопия с помощью туннельного микроскопа. Метод этот неточен, дорог и нетехнологичен.

Метод, предложенный командой российских ученых, технологичен и масштабируем. Он позволяет определять спектр электронов одиночной углеродной нанотрубки. Исследователи разработали туннельные контакты к отдельным полупроводниковым углеродным нанотрубкам, высокое сопротивление которых создавалось тем, что металл контакта был экранирован от трубки диэлектриком — оксидом алюминия.

Один из авторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ Яков Матюшкин пояснил:

«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. „Классическая“ частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика „позволяет“ электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке».

В процессе исследования была изготовлена серия одиночных углеродных нанотрубок с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов. К ним при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывалось напряжение и замерялся электрический ток, протекавший через систему. Зависимость тока от напряжения позволила определить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.

«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий», — сообщил соавтор исследования, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ Георгий Федоров.

Предложенный метод, в разработке которого приняли участие сотрудники лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ, проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем», могут ускорить исследования в таких областях, как материаловедение, физика, электроника и многих других.