Физики МИФИ объяснили устойчивость допированных фуллеренов

Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» раскрыли механизм устойчивости допированных фуллеренов. Это открытие упрощает их промышленное производство и применение, например, в качестве наноэлементов для электроники. Результаты опубликованы в журнале «Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures». Об этом пишет издание Научная Россия.

Фуллерены — сферообразные полые кластеры из атомов углерода. Их открытие удостоено Нобелевской премии по химии (1996). Каждый такой кластер может работать как готовый наноэлектронный прибор, например диод или транзистор. Благодаря малым размерам они обладают высоким быстродействием.

Для расширения свойств фуллерены химически модифицируют. Распространенный способ — замещающее допирование: один или несколько атомов углерода заменяют атомами другого элемента. Чаще всего используют бор или азот, так как их атомы близки к углероду по массе и размерам. Допированные фуллерены хорошо адсорбируют лекарства и нервно-паралитические газы.

Однако при синтезе допированных азотом фуллеренов возникает много дефектных изомеров. Под действием высоких температур в них появляются «дефекты Стоуна-Уэльса», разрушающие каркас. С бором такой проблемы нет — те устойчивы к нагреву.

Доценты МИФИ Константин Катин и Михаил Маслов изучили самый маленький фуллерен из 20 атомов. С помощью квантово-механических моделей они выяснили, что даже один атом азота дестабилизирует скелет. Это связано с наличием у азота лишнего электрона.

«Для разрушения исходного фуллерена C20 нужно 4.93 эВ, а для C19N — только 2.98 эВ. Чем больше азота, тем ниже устойчивость. Понижение температуры в реакторе на ~20°C существенно уменьшит долю дефектных фуллеренов», — пояснил Катин.

Работа заинтересовала зарубежных исследователей. В ближайшие годы возможно создание технологии синтеза допированных азотом фуллеренов при пониженных температурах, что решит проблему дефектов.