Новое явление «гороха»

О чем речь?
Известно, что обычные материалы бывают трех видов: металлы, полупроводники и диэлектрики. И в каждом электронном приборе должны присутствовать материалы всех трех типов. Также известно, что двухмерные материалы под действием механического напряжения могут превращаться из металлов в диэлектрики, полупроводники, и наоборот — это называют фазовым переходом. А значит, можно изготавливать электронные приборы из двухмерных материалов и управлять их свойствами.

Главная проблема, что некоторые из этих материалов хрупкие и при механическом воздействии могут пострадать. Также бывает, что для проявления у материала необходимых свойств на него необходимо воздействовать слишком сильно. Поэтому мы искали материал, который обладал бы необходимыми свойствами для фазового перехода и даже при небольших механических напряжениях радикально менял свойства.

Первые испытания прошли в 2015 году. Мы испытывали разные материалы, и далеко не все попытки были успешными: одни материалы не реагировали, другие оставались «сморщенными» даже после того, как мы убирали напряжение. В итоге мы нашли материал, который нас устроил всеми свойствами и реагировал именно так, как мы хотели, — так называемый «углеродный горох».

Что он дает?
За последние три десятилетия было синтезировано множество новых углеродных материалов, и в том числе нанотрубка, заполненная фуллеренами. Из-за внешнего сходства со стручком, набитым горошинами, ее прозвали «углеродным горохом». Это уникальный по структуре материал: он сочетает 0-размерные (то есть маленькие) и одномерные объекты нанотрубки. И у него обнаружились именно те свойства, которые мы искали.

Если собрать электронный прибор из разных материалов, то его нельзя изменить, не убирая составляющих частей. Таким образом, возможности конструктора ограниченны. А если схема собрана из «углеродного гороха», то менять ее свойства можно простым надавливанием. То есть, если элемент не проводит ток, достаточно приложить к нему напряжение — и он станет проводником. При работе будем плавно менять уровень напряжения, тем самым настраивая прибор так, как необходимо. Если же использовать в работе схему, собранную из разных материалов, то после смены потребностей придется заказывать новые детали или даже другую схему.

Где можно использовать?
Результаты работы могут быть использованы для создания электромеханических переключателей и сенсоров, резонансно-туннельных диодов и логических элементов для микросхем. Резонансно-туннельные диоды необходимы в качестве источников и детекторов терагерцевого излучения. Эта частота сейчас мало используется, так как сложно генерировать и детектировать ее излучение. В то же время атмосфера Земли наиболее прозрачна для этого диапазона частот, поэтому было бы интересно его задействовать. К тому же эти диоды в перспективе можно использовать как в научных целях (для спектроскопии и исследования космоса), так и в повседневной жизни (при сканировании багажа, оценке прочности несущих конструкций и даже при ­определении пола эмбрионов цыплят).

По проводящему материалу электроны перемещаются свободно. Для получения интересного эффекта — отражения или излучения электронов — необходимо создать на их пути препятствие. Обычно таким препятствием становится вставка из другого материала, которую довольно сложно сделать технологически. Используя «углеродный горох», мы можем создать неоднородность с помощью механического напряжения. Затем будет достаточно просто управлять ее свойствами и формой или убрать.

Что дальше?
Мы доказали, что «углеродный горох» меняет свойства, после чего приступили к разработке экспериментальной возможности контролируемой деформации. Был предложен метод, основанный на водородных пузырях — "горох" напылялся на подложку, в которую заранее имплантировали атомы водорода и гелия. При нагревании эти атомы выделялись, в подложке образовывался газовый пузырь, который ­деформировал нанотрубку нужным нам образом. Меняя температуру, мы управляли ­давлением этого пузыря и степенью его деформации. В итоге у нас все получилось.

Теперь необходимо провести эксперимент с более сложными нанотрубками. В дальнейшем будем думать о том, как упростить и удешевить этот процесс, чтобы он был воспроизводим не только в лаборатории.

Пока рано заявлять, какие отрасли в каких проектах смогут использовать нашу разработку. Необходимо сперва понять, какие технологические параметры и масштабы производства эта технология сможет обеспечить. Ранее эксперименты с нанотрубками выглядели следующим образом: выращивалось огромное множество нанотрубок, затем на них оказывалось неконтролируемое воздействие, и экспериментаторы в микроскоп смотрели, какая из нанотрубок окажется деформированной так, как нужно. Как правило, одна из тысяч деформировалась так, как нужно, и ее начинали исследовать.

Эта технология подходит для научных исследований, потому что ученым вполне достаточно одной нанотрубки, но совершенно не подходит для запуска массового производства. Наша технология гораздо дешевле, к тому же она должна деформировать все нанотрубки. Но в любом случае ближайшие несколько лет уйдут на экспериментальные ­исследования и отработку этой технологии.