Un team internazionale di ricercatori ha esaminato le proprietà ottiche e dielettriche di sottili film macroscopici basati su nanotubi di carbonio a parete singola e ha ottenuto una spiegazione della natura metallica della loro conduttività utilizzando la spettroscopia a infrarossi e terahertz. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulle riviste Carbonio e Nanotecnologia .

Un nanotubo di carbonio a parete singola, o SWNT, può essere immaginato come un foglio di grafene arrotolato in un cilindro. Leggero, forte, e resistente alle alte temperature, Gli SWNT possono essere utilizzati come additivi ai materiali compositi per renderli più durevoli, o come elementi costitutivi per fabbricare filtri per aerosol e sensori elettrochimici. Film di nanotubi di carbonio trasparenti e flessibili, ovvero Le strutture 2-D formate dall'intersezione di nanotubi hanno un'ampia varietà di potenziali applicazioni, ad esempio come supercondensatori o elettrodi trasparenti nell'elettronica flessibile, dispositivi elettronici che possono essere piegati, piegato, e attorcigliato senza rompersi. Lo studio dei meccanismi di trasferimento di carica in tali film è quindi importante sia per la ricerca di base che per le applicazioni pratiche.

I fisici hanno misurato le proprietà ottiche ed elettriche dei film mediante spettroscopia a infrarossi terahertz a una varietà di temperature, da -268 gradi Celsius a temperatura ambiente, e in un'ampia gamma di lunghezze d'onda della radiazione incidente, dall'ultravioletto al terahertz (lunghezze d'onda di circa 1 millimetro). Lo studio dell'interazione tra i film e la radiazione ha fornito dati fondamentali sull'elettrodinamica dei film.

I film SWNT sono stati sintetizzati utilizzando la deposizione chimica da vapore aerosol (CVD). Brevemente, un vapore del ferrocene precursore del catalizzatore viene fornito nel reattore CVD, dove si decompone nell'atmosfera di monossido di carbonio, formando particelle di catalizzatore di dimensioni nanometriche. Sulla loro superficie, si verifica una sproporzione del monossido di carbonio (CO) - ossidazione e riduzione simultanee e, infine, Gli SWNT crescono. Il flusso all'uscita del rettore viene filtrato, e SWNT vengono raccolti sul filtro di nitrocellulosa. Variando la durata del tempo di raccolta, i ricercatori ottengono film di diverso spessore. È importante sottolineare che i film SWNT possono essere facilmente trasferiti su diversi substrati mediante deposizione a secco o utilizzati nella loro forma indipendente, questo è, senza substrato. Questo metodo consente la produzione di nanotubi di alta qualità senza impurità di carbonio amorfo.

"Poiché tutti gli atomi di carbonio negli SWNT si trovano sulla loro superficie, è relativamente facile alterare le proprietà elettriche di questo materiale unico. Possiamo migliorare la conduttività dei film incorporando droganti nei nanotubi o rivestendoli con molecole accettore o donatore di elettroni, " dice il professor Albert Nasibulin di Skoltech. Nei loro studi, gli scienziati hanno rivestito i campioni con cloruro d'oro, la cui soluzione ha agito da agente dopante, e ottenuto film da nanotubi riempiti con iodio e cloruro di rame ponendoli in un'atmosfera dei vapori appropriati. Tale trattamento aumenta la densità dei portatori di carica nei tubi riempiti e riduce la resistenza di contatto tra di loro, consentendo elettrodi e materiali trasparenti flessibili con trasferimento di carica selettivo per l'uso in optoelettronica e spintronica.

Per l'uso in elettronica, i film devono essere portatori di carica efficienti, così i fisici hanno esaminato lo spettro a banda larga della loro permittività dielettrica. Ma l'elettronica flessibile richiede anche pellicole trasparenti, così i ricercatori hanno misurato la loro conduttività ottica, anche. Entrambe le analisi sono state condotte in un ampio intervallo di temperature, da diversi gradi sopra lo zero assoluto alla temperatura ambiente. Di particolare interesse sono i dati ottenuti nelle regioni terahertz e del lontano infrarosso dello spettro. Mentre i risultati della ricerca precedente indicavano un picco nello spettro di conducibilità terahertz (a frequenze comprese tra circa 0,4 e 30 THz, a seconda dello studio), questo documento non riporta indicazioni chiare del fenomeno. Gli autori attribuiscono tali risultati all'alta qualità dei loro film.

Poiché l'analisi delle proprietà ottiche e dielettriche dei film a frequenze inferiori a 1, 000 cm⁻¹ hanno rivelato caratteristiche spettrali tipiche dei materiali conduttori, come i metalli, il team ha deciso di utilizzare il corrispondente modello di conduttività sviluppato da Paul Drude. Secondo quel modello, l'addebito nei conduttori è trasferito dai vettori franchi. Come le molecole di gas ideali, si muovono tra gli ioni nel reticolo e si disperdono in caso di collisione con le sue vibrazioni, difetti o impurità. In questo studio, i portatori di carica sono anche dispersi dalle barriere energetiche alle intersezioni dei singoli nanotubi. Però, come suggerisce l'analisi, queste barriere sono insignificanti e consentono agli elettroni di muoversi quasi liberamente attraverso il film. Utilizzando il modello Drude, gli autori sono stati in grado di analizzare quantitativamente le dipendenze dalla temperatura dei parametri effettivi dei vettori, vale a dire, concentrazione, mobilità, percorso libero medio e tempo tra le collisioni, responsabili delle proprietà elettrodinamiche dei film.

"La nostra ricerca ha chiaramente dimostrato che la spettroscopia terahertz fornisce uno strumento efficiente per studiare i meccanismi di conduttività nei film di nanotubi di carbonio su macroscala e determinare i parametri effettivi dei portatori di carica in modo senza contatto. I nostri risultati mostrano che tali film possono essere utilizzati con successo come componenti. o assemblaggi in vari dispositivi micro e nanoelettronici, "dice Elena Zhukova, vice capo del Laboratorio di Spettroscopia Terahertz al MIPT.