Ett internationellt team av forskare har undersökt de optiska och dielektriska egenskaperna hos tunna makroskopiska filmer baserade på enkelväggiga kolnanorör och fått en förklaring till den metalliska karaktären hos deras konduktivitet med hjälp av infraröd- och terahertzspektroskopi. Forskningsresultaten publicerades i tidskrifterna Kol och Nanoteknik .

Ett enkelväggigt kolnanorör, eller SWNT, kan avbildas som ett grafenark rullat till en cylinder. Ljus, stark, och motståndskraftig mot höga temperaturer, SWNT kan användas som tillsatser till kompositmaterial för att göra dem mer hållbara, eller som byggstenar för att tillverka aerosolfilter och elektrokemiska sensorer. Transparenta och flexibla nanorörsfilmer i kol – det vill säga 2-D-strukturer som bildas av korsande nanorör-har en mängd olika möjliga tillämpningar, till exempel som superkondensatorer eller genomskinliga elektroder i flexibel elektronik – elektroniska enheter som kan böjas, vikta, och vriden utan att gå sönder. Studiet av laddningsöverföringsmekanismerna i sådana filmer är därför viktigt för både grundforskning och praktiska tillämpningar.

Fysikerna mätte optiska och elektriska egenskaper hos filmerna med terahertz-infraröd spektroskopi vid en mängd olika temperaturer, från -268 grader Celsius till rumstemperatur, och i ett brett spektrum av infallande strålningsvåglängder - från ultraviolett till terahertz (våglängder på cirka 1 millimeter). Studiet av interaktionen mellan filmerna och strålningen gav grundläggande data om filmernas elektrodynamik.

SWNT -filmerna syntetiserades med användning av aerosol kemisk ångavsättning (CVD). I korthet, en ånga av katalysatorprekursorn ferrocen tillförs CVD-reaktorn, där det sönderdelas i atmosfären av kolmonoxid, bildar nanometerstora katalysatorpartiklar. På deras yta, disproportionering av kolmonoxid (CO) – samtidig oxidation och reduktion – inträffar och slutligen, SWNTs växer. Flödet vid rektorns utlopp filtreras, och SWNTs samlas upp på nitrocellulosafiltret. Genom att variera insamlingstidens längd, forskare får filmer av olika tjocklek. Viktigt, SWNT-filmerna kan enkelt överföras till olika substrat genom torr deponering eller användas i sin fristående form, det är, utan substrat. Denna metod möjliggör produktion av högkvalitativa nanorör utan amorfa kolföroreningar.

"Eftersom alla kolatomer i SWNTs finns på deras yta, det är relativt enkelt att ändra de elektriska egenskaperna hos detta unika material. Vi kan förbättra filmens konduktivitet antingen genom att införliva dopningsmedel i nanorören eller genom att belägga dem med elektronacceptor eller -donormolekyler, " säger professor Albert Nasibulin vid Skoltech. I sina studier, forskarna belade proverna med guldklorid, vars lösning fungerade som dopingmedel, och erhöll filmer från nanorör fyllda med jod och kopparklorid genom att placera dem i en atmosfär av lämpliga ångor. Sådan behandling ökar laddningsbärartätheten i de fyllda rören och minskar kontaktmotståndet mellan dem, möjliggör flexibla transparenta elektroder och material med selektiv laddningsöverföring för användning inom optoelektronik och spintronik.

För användning inom elektronik, filmer måste vara effektiva laddningsbärare, så fysikerna undersökte bredbandsspektrumet för deras dielektriska permittivitet. Men flexibel elektronik kräver också transparenta filmer, så forskarna mätte sin optiska ledningsförmåga, också. Båda analyserna utfördes inom ett brett temperaturområde, från flera grader över absolut noll till rumstemperatur. Av särskilt intresse är data som erhålls i terahertz- och fjärrinfraröda områden av spektrumet. Medan tidigare forskningsrön pekade på en topp i terahertz konduktivitetsspektrum (vid frekvenser mellan cirka 0,4 och 30 THz, beroende på studien), denna tidning rapporterar inga tydliga indikationer på fenomenet. Författarna tillskriver sådana resultat den höga kvaliteten på sina filmer.

Eftersom analysen av filmernas optiska och dielektriska egenskaper vid frekvenser under 1, 000 cm⁻¹ avslöjade spektrala egenskaper som var typiska för ledande material, som metaller, laget beslutade att använda motsvarande konduktivitetsmodell som utvecklades av Paul Drude. Enligt den modellen, laddningen i ledarna överförs av fria transportörer. Liksom de ideala gasmolekylerna, de rör sig mellan jonerna i gittret och sprids vid kollision med dess vibrationer, defekter eller föroreningar. I den här studien, laddningsbärarna är också utspridda av energibarriärerna vid skärningspunkterna mellan enskilda nanorör. Dock, som analysen antyder, dessa barriärer är obetydliga och tillåter elektronerna att röra sig nästan fritt över filmen. Med Drude-modellen, författarna kunde kvantitativt analysera temperaturberoendena för bärarnas effektiva parametrar – nämligen, koncentration, rörlighet, betyder fri väg och tid mellan kollisioner - som är ansvariga för filmernas elektrodynamiska egenskaper.

"Vår forskning har tydligt visat att terahertz-spektroskopi ger ett effektivt verktyg för att studera konduktivitetsmekanismerna i kolnanorörsfilmer i makroskala och bestämma de effektiva parametrarna för laddningsbärare på ett beröringsfritt sätt. Våra resultat visar att sådana filmer framgångsrikt kan användas som komponenter. eller sammansättningar i olika mikro- och nanoelektroniska enheter, säger Elena Zhukova, biträdande chef för Laboratory of Terahertz Spectroscopy vid MIPT.