Új szén nanoszerkezetek: az egyenes nanocsõtõl az elágazó és feltekert nanocsövek felé

Biró László P., Márk Géza I., Horváth Zsolt E., Koós Antal A., Osváth Z. és Gyulai József
MTA- Mûszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutató Intézet, Budapest

 A nanométer méretû szerkezetek a "makroszkopikus" világban megszokottaktól alapjaiban eltérõ tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek egyik, sok újdonságot ígérõ családja a szén nanoszerkezetek, melyek kizárólag szénatomokból épülnek fel. Közülük a legismertebb a futball-labdához hasonló, hatvan szénatomból álló, ún. fullerén (C60). A nanoszerkezetek makroszkópostól eltérõ elektronszerkezetét az magyarázza, hogy jellemzõen nanométeres méreteik összemérhetõk az elektronhullám hullámhosszával. Az utóbbi évtized talán legtöbbet vizsgált nanoszerkezetei a fullerénnel rokon szén nanocsövek.

Az egyfalú szén nanocsõ egy tökéletes hengerré tekert egyetlen atom vastagságú "grafit" réteg. A kvantumosság itt azt jelenti, hogy ezen a csövön csak olyan elektronok létezhetnek, amelyek a csõ kerülete mentén egész számú hullámot alkotnak, vagyis a csõ kerülete kötelezõen az elektron hullámhosszának egészszámú többszöröse. A többfalú szén nanocsövek koncentrikusan egymásra épülõ, egyfalú csövekbõl állnak, úgy, hogy az egyes hengerek közötti távolság megegyezik a természetes grafit rétegei közötti távolsággal. Az egyenes szén nanocsöveket 1991-ben fedezte fel S. Iijima1, az eltelt tíz évben a szén nanocsövekrõl ezernél is több cikket írtak. A fokozott érdeklõdést a nanocsövek ígéretes tulajdonságai indokolják. Elõször is a nanocsõ mechanikai tulajdonságai azonosak vagy jobbak, mint a drágakõ "testvéré", a gyémánté. Ha kétfalú a nanocsõ, a belsõ csõ – mint egy "nanomotor" – képes lehet forogni a külsõben, vagy ha sikerül kihúznunk és elengednünk, mint egy "nanolengéscsillapító" visszaugrik az eredeti helyére, stb. Emellett, elektromos feszültséget kapcsolva a nanocsövekre, ezek kiváló elektron-kibocsátóként viselkednek. Ez a tulajdonság vezetett az elsõ ipari jellegû felhasználásához: a Samsung kutatói szén nanocsöveket alkalmaztak egy sík képernyõben az elektronok kibocsátására, a kereskedelmileg kapható VGA felbontású változatot 2004-re ígérik.

A csak hatszögekbõl álló egyatomos grafit réteg (graphene sheet) „feltekerésével”  csak állandó átmérõjû, hengeres nanoszerkezeteket nyerhetünk. A C60 példája jól szemlélteti, hogy ötszögek beépülése a hatszögekbõl álló síkba a sík elgörbüléséhez vezet. Hasonló, de ellentétes elõjelû görbület keletkezik hétszögek beépülésekor is. Ötszög-hétszög páros beépülése egy nanocsõbe „nanokönyököt” eredményez. Ez azért is fontos, mert ilyen könyökökön keresztül lehetséges a fémes és félvezetõ nanocsövek csatlakozása, ami egy nanométeres Schottky átmenetet eredményezhet. Több ötszög-hétszög beépülésével új típusú nanoszerkezeteket jöhetnek létre, mint például az Y-szerû elágazás, vagy a „telefonzsinórszerûen” feltekert (spirális) egyfalú nanocsõ. Bár ezeket az alakzatokat már 1992 – 93 –ban megjósolták elméleti modell-számítások alapján, csak nemrégiben sikerült ilyeneket kísérletileg is kimutatnunk pásztázó alagútmikroszkóp segítségével egy általunk kidolgozott, a fullerén bomlásán alapuló növesztési eljárást alkalmazva.

1S. Iijima, Nature 354 (1991) 56


Vissza