Успехи современной электронной микроскопии открывают возможность наблюдения нанометровых структур с атомным разрешением. Это позволяет, в частности, определять индексы хиральности углеродных нанотрубок (УНТ), связанных с ориентацией графитовой плоскости, из которой свернута УНТ, относительно оси трубки.

Поскольку хиральность нанотрубки определяет ее электронные характеристики (тип проводимости, ширина запрещенной зоны и т.п.), указанная возможность создает основу для использования УНТ в качестве элементов наноэлектронных систем.

Примером наблюдения структуры УНТ с помощью просвечивающего электронного микроскопа может служить опубликованная недавно работа [1], которая выполнена объединенной группой китайских и японских исследователей. В этой работе с помощью одного из лучших современных электронных микроскопов высокого разрешения (JEOL JEM-2010F HRTEM) получены практически совершенные изображения однослойных и двухслойных УНТ. Однослойные и двухслойные нанотрубки выращены методом химического газофазного осаждения паров (CVD) с использованием кобальтового катализатора непосредственно на медной сетке просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ). Изображения нанотрубок, полученные с помощью ТЕМ, позволяют с хорошей точностью определить диаметр нанотрубки и угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. Этого достаточно для установления индексов хиральности нанотрубки, которые, в свою очередь, определяют все ее электронные характеристики. В частности, индексы хиральности одной из однослойных УНТ, подвергнутых исследованию, оказались равными (20, 23). Эти данные подтверждаются результатами компьютерного моделирования изображения УНТ, полученные с помощью электронного микроскопа. Такой подход применялся также для определения индексов хиральности двух нанотрубок, составляющих двухслойную УНТ. Для конкретной УНТ, подвергнутой измерениям, индексы хиральности оказались равными (32, 23)@ (36, 32). Важной особенностью полученных изображений является наличие структурных дефектов, о непосредственном наблюдении которых сообщается впервые.

В то время как наблюдение тяжелых атомов с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) стало рутинным занятием, наблюдать легкие атомы и молекулы напрямую пока никому не удавалось, что связано с явлением снижения контраста по мере уменьшения массы атома. Всякий изображаемый объект находится на определенной поверхности, относительный вклад которой в формирование изображения тем больше, чем меньше масса объекта. По этой причине проблема прямого наблюдения легких атомов и молекул до сих пор представляет серьезный вызов для экспериментаторов.

Недавно исследователи из University of California at Berkeley (США) достигли определенного прогресса на этом пути. Им удалось получить изображение атомов углерода и водорода, сорбированных на поверхности слоя графена. Преимущества такого подхода связаны, с одной стороны, с малой толщиной графенового слоя, которая имеет атомные масштабы, а с другой стороны – с его регулярной структурой, изображение которой имеет правильный характер и может быть легко вычтено из суммарной картины. Кроме того, графен обладает хорошей электропроводностью, что позволяет избежать вредного явления зарядки мишени под действием электронного пучка микроскопа.

А.В. Елецкий

• H. Zhu et al., J. Phys. Chem. C 112, 11098 (2008)