Tutkijat yhdistivät nanoputkikerrokset täysin uudenlaiseksi materiaaliksi

Kansainvälinen, Tokion yliopiston johtama tutkijaryhmä on onnistunut yhdistämään kolmea erilaista materiaalia nanoputkeksi eli nanomateriaaliksi, jolla on putkimainen rakenne. Materiaalien yhdistäminen kerroksittain mahdollistaa nanoputkien kemiallisen koostumuksen hallitsemisen, jolloin nanoputkia voidaan käyttää uusien elektroniikkamateriaalien valmistamisessa.

Aalto-yliopiston fysiikan professori Esko I. Kauppisen tutkimusryhmän roolina oli valmistaa korkealaatuisia, yksiseinäisiä hiilinanoputkia, joita käytettiin uusien nanoputkien keskellä. Hiilinanoputken päälle tutkijat laittoivat boorinitridistä tehdyn nanoputken ja ulommaiseksi molybdeenidisulfidinanoputken. Kaikki kolme nanoputkikerrosta johtavat sähköä eri tavoin, ja yhdistämällä ne kerrosmaiseksi rakenteeksi tutkijat loivat materiaalin, jolla on ainutlaatuiset kemialliset ja sähköä johtavat ominaisuudet.

Kauppisen tutkimusryhmä on kehittänyt uusia menetelmiä, joilla erittäin puhtaita hiilinanoputkia voidaan valmistaa suuria määriä. Yksiseinäiset hiilinanoputket ovat rakenteeltaan yhden atomikerroksen paksuisia grafeeniliuskoja, jotka rullautuvat saumattomasti eri kokoisiksi ja muotoisiksi putkiksi. Niiden halkaisija on noin yksi nanometri.

”Tuottamamme yksittäisetnanoputket ovat hyödyllisiä japanilaisille kollegoillemme, koska niihin on helppo kiinnittää muitakin uudenlaisia kerroksia ja saada aikaan täysin uusia rakenteita”, Esko Kauppinen sanoo.

Uusia sovellusmahdollisuuksia

Seuraavaksi tutkimusryhmä alkaa kehittää uusille materiaaleille sovelluksia. Kerroksittaisista nanoputkista voidaan tehdä transistoreja, jotka ovat pienempiä ja nopeampia kuin nykyiset, piistä tehdyt transistorit. Transistori on kaiken elektroniikan peruskomponentti: esimerkiksi tietokoneet, puhelimet ja niiden näytöt ja muistit perustuvat transistoreihin.

Transistorissa sisin hiilinanoputki toimiipuolijohteena, keskimmäinen boorinitridi toimii eristeenä ja uloimmaiseksi tarvitaan metallinen nanoputki.

”Tämä kerrosrakenne tarkoittaa aivan uudenlaisia optisia ominaisuuksia, ja sen vuoksi myös uusia optisia sovellusmahdollisuuksia. Kiinnostavimmat sovellukset ovat kuitenkin niitä, joista emme vielä edes tiedä”, Esko Kauppinen sanoo.

Tutkimusmenetelmä esiteltiin Science-lehdessä. Tutkimusyhteistyössä oli mukana tutkijoita useista eri yliopistoista ympäri maailmaa. Aalto-yliopiston lisäksi Suomesta oli mukana Canatu Oy, ja kansainvälisiä yhteistyökumppaneita olivat Tokion yliopisto, MIT, Pekingin yliopisto, AIST, NIMS, Tsukuban yliopisto ja IIT Madras.

Artikkeli https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aaz2570