Gli scienziati di Skoltech e i loro colleghi di Russia e Finlandia hanno scoperto un modo non invasivo per misurare lo spessore dei film di nanotubi di carbonio a parete singola, che possono trovare applicazioni in un'ampia varietà di campi, dall'energia solare ai tessuti intelligenti. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata .

Un nanotubo di carbonio a parete singola (SWCNT) è essenzialmente un foglio di grafite dello spessore di un atomo che viene arrotolato in un tubo. Sono un allotropo (una forma fisica) del carbonio, proprio come i fullereni, grafene, diamante, e grafite. Gli SWCNT mantengono molte promesse in varie applicazioni industriali, che vanno dalle celle solari e LED ai laser ultraveloci, elettrodi trasparenti, e tessuti intelligenti.

Tutte queste applicazioni, però, richiedono misurazioni piuttosto precise dello spessore del film SWCNT e delle proprietà ottiche. "Lo spessore del film è abbastanza importante per molte applicazioni e solitamente caratterizzato da quanta luce può essere trasferita attraverso il film nell'intervallo spettrale visibile:maggiore è la trasparenza, minore è lo spessore del film. Però, un controllo preciso dello spessore del film e delle costanti ottiche è fondamentale quando è necessario progettare elettrodi trasparenti efficienti. Ad esempio, abbiamo bisogno di conoscere lo spessore per migliorare le proprietà antiriflesso della superficie basata sullo strato di finestra SWCNT trasparente per celle solari. Per stimare e successivamente utilizzare le proprietà meccaniche dei film SWCNT, dobbiamo prevedere le dimensioni geometriche dei film, "dice il professor Albert Nasibulin, capo del Laboratorio di Nanomateriali presso lo Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials

I metodi esistenti per le misurazioni delle costanti ottiche includono spettroscopie di assorbimento e di perdita di energia di elettroni, mentre i parametri geometrici possono essere determinati mediante microscopia elettronica a trasmissione, microscopia elettronica a scansione o microscopia a forza atomica. Questi metodi sono inefficienti in termini di risorse e richiedono la preparazione del campione, che potrebbe influenzare le stesse proprietà dei film SWCNT che si sta cercando di misurare.

Un team di ricercatori guidato da Albert Nasibulin di Skoltech e Aalto University è stato in grado di progettare un rapido, senza contatto, e tecnica universale per la stima accurata sia dello spessore del film SWCNT che delle loro funzioni dielettriche. Hanno trovato una soluzione alternativa per utilizzare l'ellissometria spettroscopica (SE), un non distruttivo, veloce, e tecnica di misurazione molto sensibile, per i film SWCNT.

"L'ellissometria è un metodo indiretto che possiamo usare per determinare i parametri del film, e i metodi standard di elaborazione dei dati non sono sempre applicabili qui. A prima vista, un film sottile di nanotubi di carbonio è un oggetto molto difficile per questa tecnica:costituito da molti milioni di tubi singoli e raggruppati di dimensioni nanometriche orientati casualmente, ha un forte assorbimento in tutta la gamma spettrale, bassa riflessione e anisotropia nelle sue proprietà ottiche. Tuttavia, il primo autore del saggio, Georgy Ermolaev, uno studente di un programma di Master congiunto Skoltech-MIPT, ha trovato un elegante algoritmo per recuperare lo spessore e le costanti ottiche in un unico set di misurazioni ottiche, "dice Yuriy Gladush, uno dei coautori dell'articolo.

I ricercatori hanno prodotto film SWCNT di vario spessore e assorbimento tra il 90% e il 45% a 550 nm e hanno determinato l'indice di rifrazione della banda larga (250-3300 nm) e lo spessore corrispondente dei film.

"Ci si aspettava che le proprietà ottiche dipendessero dalla densità dell'imballaggio dei nanotubi di carbonio nel film, ma la sorpresa è stata quanto sia grande questo effetto. Una singola goccia di etanolo può comprimere o densificare il film e modificare l'indice di rifrazione da 1,07 a 1,7, aprendo semplici opportunità per regolare le proprietà ottiche dei film SWCNT, " aggiunge Albert Nasibulin.

Il team crede che altri scienziati possano basarsi sul loro lavoro e, tra l'altro, usano il loro approccio oltre il regno dei nanotubi di carbonio per altri tipi di queste strutture.