Допи́рование углеро́дных нанотру́бок, процесс, применяемый для изменения структуры углеродных нанотрубок (УНТ) и их физико-химических свойств. Производится такими элементами, как бор, азот, фосфор, сера, кремний и др., при этом происходит замена атома углерода в углеродной сетке нанотрубки на гетероатом. Бор и азот являются наиболее подходящими допантами на основе таких параметров, как размер атомов, окислительно-восстановительное поведение, возможность включения гетероатома в сеть УНТ и стабильность синтезированного продукта.
Допирование бором
Позволяет превратить нанотрубки с полупроводниковыми свойствами в УНТ с металлическими свойствами за счёт понижения уровня Ферми до валентной зоны. При допировании бором происходит увеличение количества дефектов на стенках УНТ, что приводит к снижению инертности УНТ и повышению их реакционной способности. Для получения УНТ, допированных бором, применяются те же методы, что и для недопированных УНТ. Бор, который необходимо внедрить в углеродную сетку нанотрубки, вводится в реакционную среду. В случае метода электродугового разряда используется анод из смеси графита и элементного бора. При использовании метода лазерной абляции применяются углеродные мишени со смесью Co/Ni/B. Наиболее распространённым методом получения УНТ является химическое осаждение из газовой фазы (CVD-метод). Бор может входить в состав катализатора либо углеродного прекурсора, который поступает в печь. Впервые CVD-методом УНТ, допированные бором, получили с использованием реакционной смеси, состоящей из CH4, H2 и B(OCH3)3. Примером введения бора в состав катализаторов является рост нанотрубок на каталитической системе, состоящей из Fe, Ca(BO3)2 и CaCO3, при этом в качестве прекурсора для получения УНТ использовалась смесь метанола с BF3. УНТ, допированные бором, получают по реакции замещения, при которой предварительно полученные УНТ реагируют с источником бора (B2O3 или H3BO3) в условиях инертной атмосферы при температурах 1000–2000 °С.
Допирование азотом
Азот выступает в роли донора электронов в УНТ, т. к. он имеет пять валентных электронов. Допирование УНТ атомами азота приводит к сдвигу уровня Ферми в сторону валентной зоны. Это придаёт УНТ металлические свойства независимо от их геометрии. Данный тип допирования осуществляют посредством CVD-метода, в котором в реактор вместе с углеводородным сырьём подаётся источник азота (аммиак, ацетонитрил, бензиламин, пиразин и др.). Получение УНТ с азотом осуществляют методом электродугового разряда, в котором электрод состоит из смеси графита, металла-катализатора и меламина.
Допирование кремнием, фосфором и серой
Кремний имеет схожую с углеродом электронную структуру, но обладает большим размером атома и характеризуется sp3-гибридизацией в соединениях, что затрудняет синтез УНТ, допированных кремнием. УНТ, допированные кремнием, синтезируют посредством CVD-метода с метокситриметилсиланом в качестве прекурсора для роста УНТ. Для получения УНТ, допированных фосфором, используется CVD-метод с трифенилфосфином в качестве сырья. Получение УНТ, допированных серой, затруднено из-за низкой энергии связи между атомами углерода и серы. УНТ, допированные серой, получают CVD-методом с использованием дисульфида углерода в качестве сырья. Количество допированной серы в УНТ увеличивается при добавлении серы в состав катализатора и использовании ацетилена в качестве углеводородного сырья.