I fisici del MIPT e della Skoltech hanno trovato un modo per modificare e mettere a punto di proposito le proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio per soddisfare i requisiti dei nuovi dispositivi elettronici. Il documento è pubblicato in Carbon .

I nanomateriali di carbonio formano un'ampia classe di composti che include grafene, fullereni, nanotubi, nanofibre e altro ancora. Sebbene le proprietà fisiche di molti di questi materiali appaiano già nei libri di testo, gli scienziati continuano a creare nuove strutture e a trovare modi per usarle in applicazioni reali. Le macro strutture progettate come film di nanotubi di carbonio orientati in modo casuale sembrano ragnatele molto sottili con un'area che raggiunge diverse decine di centimetri quadrati e uno spessore di pochi nanometri.

I film di nanotubi di carbonio mostrano una straordinaria combinazione di proprietà fisiche e chimiche, come stabilità meccanica, flessibilità, estensibilità, eccellente adesione a vari substrati, inerzia chimica ed eccezionali proprietà elettriche e ottiche.

A differenza delle pellicole metalliche, queste pellicole altamente conduttive sono leggere e flessibili e, pertanto, possono essere utilizzate in vari dispositivi elettrici, come schermi elettromagnetici, modulatori, antenne, bolometri e così via.

La conoscenza dei principi fisici sottostanti è essenziale per un uso efficace delle proprietà elettriche ed elettrodinamiche dei film nella vita reale. Di particolare interesse sono le bande spettrali dei terahertz e del lontano infrarosso con lunghezze d'onda da 2 mm a 500 nm dove i film mostrano proprietà tipiche dei conduttori metallici.

Gli scienziati del MIPT e della Skoltech hanno studiato la conduttività dei film nelle bande terahertz e nell'infrarosso utilizzando film sintetizzati con il metodo di deposizione in fase gassosa. Alcuni dei film erano costituiti da nanotubi con lunghezze variabili da 0,3 a 13 µm, mentre altri sono stati trattati con plasma di ossigeno per 100-400 secondi e hanno modificato le loro proprietà elettrodinamiche nel processo.

In uno studio precedente, gli autori hanno dimostrato che la conduttività di film incontaminati di alta qualità può essere accuratamente descritta utilizzando il modello di conducibilità valido per i metalli. In these films, free electrons have enough energy to overcome potential barriers at the intersections of individual nanotubes and can move quite easily over the entire film, which results in high conductivity.

However, shortening tubes length (down to 0.3 μm) or exposing films to plasma (for longer than 100 s) leads to a drop in conductivity at low terahertz frequencies (<0.3 THz). The team discovered that in both cases conductivity changes in much the same way and produces similar results. Exposure to plasma results in a larger amount of defects and, therefore, a larger amount of potential barriers for itinerant electrons. For shorter nanotubes, the number of barriers per unit area increases, too. The barriers strongly affect conductivity of both nanotubes and films at direct current (DC) and fairly low frequencies, because at low temperatures electrons lack kinetic energy to overcome potential barriers. The authors showed that at high enough frequencies electrons move freely as if the barriers were not there. At low frequencies and in the DC case, films made up of short or plasma-treated tubes exhibit a higher temperature coefficient of resistance (TCR) which shows how resistance changes with temperature.

For plasma exposure of over 100 seconds or nanotube lengths below 0.3 μm, TCR reaches saturation. The effect can be considered as a precursor of TCR reduction in the films that are exposed to plasma for a very long time when separate tubes become severely damaged and lose their peculiar electric properties.

MIPT and Skoltech researchers plan to continue studying modified films, including those stretched in one or more directions. Boris Gorshunov, a co-author of the paper and head of the MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy, comments:"In contrast to nanotubes that have long been studied in great detail, research on macro objects, such as nanotube films, started only recently. Nanotube films are much lighter and more stable chemically and mechanically than metallic films and, therefore, are more appealing for electronics applications. Since we know the fundamental physics behind the films' electrical properties, we can tune them for specific real-life applications. Research in the terahertz band which will soon become ubiquitous in telecommunications is of particular relevance." + Esplora ulteriormente

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films