Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с коллегами из Российского квантового центра смогли вырастить в одностенных углеродных нанотрубках магнитные нанополосы. Новый материал будет востребован при разработке наноразмерных устройств. Работа опубликована в журнале Nanoscale.
Рисунок. Магнитная нанополоска внутри углеродной трубки. Источник: Nanoscale
Одностенная углеродная нанотрубка — это скрученный в цилиндр слой углерода толщиной в один атом — графен. Полое пространство внутри трубки может быть контейнером для нанообъектов/молекул. Углеродные нанотрубки значительно более термостабильны и обладают большей механической прочностью, чем любые другие молекулярные наноконтейнеры. Благодаря атомарно тонким стенкам свойства внутренних структур могут быть изучены различными методами, например при помощи оптической спектроскопии либо просвечивающей электронной микроскопии. Эти качества одностенных углеродных нанотрубок делают их важными для синтеза новых материалов в наномасштабе.
В последние годы ученые во всех странах исследуют упорядоченные наноструктуры на основе металлоорганического класса соединений: металл-фталоцианинов. Они активно применяются в технологиях, использующих эффекты молекулярного магнетизма. На их основе можно разрабатывать устройства для управления спиновыми токами, а также молекулярные спиновые кубиты. Однако для успешной работы наноразмерных устройств необходимо обеспечить устойчивость молекул, сохраняя при этом их магнитные качества. В своем исследовании ученые из МФТИ и РКЦ показали метод синтеза нового материала, защищенного от внешних воздействий, исследовали его структуру, оптические и магнитные свойства, а также нашли характерные маркеры, которые позволяют его идентифицировать.
Сначала физики для формирования протяженных магнитных нанополос провели термическую полимеризацию молекул. При повышении температуры молекулы кобальт-фталоцианина в нанотрубке соединились между собой, образуя сложную структуру. Затем образец проверили с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Снимки показали, что молекулы соединились в полосу, скрученную в спираль. При помощи спектральных характеристик (оптического поглощения и комбинационного рассеяния света) можно легко отличить исходные нанотрубки от заполненных магнитными протяженными полосами из молекул фталоцианина-кобальта.
Затем ученые детально исследовали строение получившегося материала, а также определили его уникальные характеристики. С помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света удалось обнаружить резонансный отклик от структур, созданных внутри нанотрубок. Характерные спектральные особенности появлялись при синтезе внутри нанотрубок только в отдельном температурном диапазоне, что позволило определить оптимальные параметры для эффективного синтеза.
Кроме этого, были исследованы магнитные и оптические характеристики материала. «Мы изучили свойства протяженных магнитных полос сверхмалой ширины, менее одного нанометра, — говорит руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ Александр Чернов, — и обнаружили их ферромагнитный характер уже при комнатной температуре. Наличие ярких оптических особенностей и магнитных свойств делает новый материал перспективным для приложений».
Исследователи получили сложную структуру, состоящую из углеродных нанотрубок и магнитных полос шириной менее одного нанометра внутри. Продемонстрированный ими материал открывает возможности для разработки разнообразного класса защищенных низкоразмерных магнитных материалов для применения в органических спинтронных, магнонных и квантовых устройствах.
Совместно с физиками из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и Российского квантового центра в работе принимали участие также ученые из Университета имени Сунь Ятсена, Гуанчжоу (КНР) и Ноттингемского университета (Великобритания). Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
4
