Fysiker från MIPT och Skoltech har hittat ett sätt att modifiera och avsiktligt ställa in de elektroniska egenskaperna hos kolnanorör för att möta kraven på nya elektroniska enheter. Tidningen publiceras i Carbon .

Kolnanomaterial utgör en omfattande klass av föreningar som inkluderar grafen, fullerener, nanorör, nanofibrer och mer. Även om de fysiska egenskaperna hos många av dessa material redan förekommer i läroböcker, fortsätter forskare att skapa nya strukturer och hitta sätt att använda dem i verkliga tillämpningar. Makrostrukturer utformade som slumpmässigt orienterade filmer gjorda av kolnanorör ser ut som mycket tunna spindelväv med en yta som når flera dussin kvadratcentimeter och en tjocklek på bara några nanometer.

Kolnanorörsfilmer uppvisar en fantastisk kombination av fysikaliska och kemiska egenskaper, såsom mekanisk stabilitet, flexibilitet, töjbarhet, utmärkt vidhäftning till olika substrat, kemisk tröghet och exceptionella elektriska och optiska egenskaper.

Till skillnad från metallfilmer är dessa starkt ledande filmer lätta och flexibla och kan därför användas i olika elektriska apparater, såsom elektromagnetiska sköldar, modulatorer, antenner, bolometrar och så vidare.

Kunskapen om de underliggande fysikaliska principerna är väsentlig för att effektivt kunna använda filmernas elektriska och elektrodynamiska egenskaper i verkligheten. Av särskilt intresse är terahertz- och fjärrinfraröda spektralband med våglängder på 2 mm till 500 nm där filmerna uppvisar egenskaper som är typiska för metalliska ledare.

MIPT- och Skoltech-forskare studerade filmkonduktivitet i terahertz- och infrarödbanden med hjälp av filmer syntetiserade med gasfasdepositionsmetoden. Vissa av filmerna var gjorda av nanorör med längder varierande från 0,3 till 13 µm, medan andra behandlades med syreplasma i 100 till 400 sekunder och ändrade deras elektrodynamiska egenskaper i processen.

I en tidigare studie har författarna visat att konduktiviteten hos högkvalitativa orörda filmer kan beskrivas exakt med hjälp av konduktivitetsmodellen som gäller för metaller. I dessa filmer har fria elektroner tillräckligt med energi för att övervinna potentiella barriärer vid skärningspunkterna mellan enskilda nanorör och kan röra sig ganska lätt över hela filmen, vilket resulterar i hög konduktivitet.

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." + Utforska vidare

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films