Авторы исследования научились осаждать узорчатые плёнки из нанотрубок в один этап — без потерь материала и без дополнительных реагентов. В основе новой методики лежит прессовка нитроцеллюлозной мембраны — так называется фильтр, широко применяемый в числе прочего в экспериментах молекулярной биологии. Перед осаждением нанотрубок на мембрану её прессуют горячим металлическим трафаретом, на который лазером нанесён негатив желаемого рисунка. Под давлением около 200 мегапаскалей трафарет запечатывает поры фильтра как раз в тех областях, где не должны осаждаться нанотрубки.
Подготовленная таким образом мембрана превращается в прочный многоразовый шаблон-подложку для осаждения однослойных углеродных нанотрубок из газовой фазы. Поток газа с аэрозолем нанотрубок просачивается через мембрану только в тех местах, где её поры не были запечатаны, и именно там оседают нанотрубки — остаётся перенести полученную узорчатую плёнку на другую подложку. Важно, что метод не привносит в мембрану органических растворителей и других посторонних веществ, а значит, не требует постобработки для их удаления, исключает загрязнение, сохраняет качество нанотрубок и облегчает последующий перенос плёнки.
«Ключевая идея пришла из аэрозольной науки: однослойные углеродные нанотрубки настолько лёгкие, что их инерцией можно пренебречь, поэтому они следуют за потоком несущего газа, куда бы он ни направлялся. Совместив этот принцип со структурированием мембраны, когда мы попросту закрываем ненужные нам поры, мы позволяем самому потоку газа „рисовать“ узор, осаждая нанотрубки только там, где они нужны, и нигде больше. Ничего не вытравливается, не вводятся ни растворители, ни посторонние материалы, а шаблон можно использовать многократно. По сути, мы превращаем фундаментальное свойство аэрозоля в инструмент прецизионного производства — и именно это делает метод достаточно быстрым, чистым и масштабируемым, чтобы углеродные нанотрубки из лаборатории перешли в реальные оптические и электронные устройства», — прокомментировал исследование один из его авторов, профессор РАН Альберт Насибулин, директор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха.
В предыдущей версии методики осаждение нанотрубок на отдельные участки нитроцеллюлозного фильтра блокировалось напылением меди. Однако это накладывало определённые ограничения на геометрию получаемого рисунка: он должен был оставаться непрерывным, без изолированных или слабо связанных между собой элементов. Кроме того, часть меди прилипала к нанотрубкам, ухудшая их свойства. Исключение меди из процесса позволило устранить оба недостатка.
Высокое качество полученных новым методом плёнок подтверждают данные оптической и сканирующей электронной микроскопии, а также электрические измерения. Анализ рисунка показал, что линии и промежутки в узорах из нанотрубок точно повторяют геометрию трафарета. В областях, задуманных пустыми, нанотрубки действительно почти полностью отсутствуют. Исследователи также убедились в возможности масштабировать и повторно использовать мембраны: были изготовлены трафареты увеличенного размера, а испытания при многократном использовании показали, что оптические свойства осаждённых плёнок меняются раз от раза не более чем на несколько процентов.
