Een internationaal team van onderzoekers heeft de optische en diëlektrische eigenschappen van dunne macroscopische films op basis van enkelwandige koolstofnanobuisjes onderzocht en een verklaring gevonden voor de metallische aard van hun geleidbaarheid met behulp van infrarood- en terahertz-spectroscopie. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de tijdschriften Koolstof en Nanotechnologie .

Een enkelwandige koolstofnanobuis, of SWNT, kan worden afgebeeld als een grafeenvel dat in een cilinder is gerold. Licht, sterk, en bestand tegen hoge temperaturen, SWNT's kunnen worden gebruikt als additieven voor composietmaterialen om ze duurzamer te maken, of als bouwstenen om aerosolfilters en elektrochemische sensoren te fabriceren. Transparante en flexibele koolstofnanobuisfilms - dat wil zeggen, 2D-structuren gevormd door elkaar kruisende nanobuisjes hebben een breed scala aan mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld als supercondensatoren of transparante elektroden in flexibele elektronica - elektronische apparaten die kunnen worden gebogen, gevouwen, en gedraaid zonder te breken. De studie van de ladingsoverdrachtsmechanismen in dergelijke films is daarom belangrijk voor zowel fundamenteel onderzoek als praktische toepassingen.

De fysici hebben optische en elektrische eigenschappen van de films gemeten met terahertz-infraroodspectroscopie bij verschillende temperaturen, van -268 graden Celsius tot kamertemperatuur, en in een breed scala van invallende stralingsgolflengten - van ultraviolet tot terahertz (golflengten van ongeveer 1 millimeter). De studie van de interactie tussen de films en straling leverde fundamentele gegevens op over de elektrodynamica van de films.

De SWNT-films werden gesynthetiseerd met behulp van aerosol chemical vapor deposition (CVD). Kort, een damp van de katalysatorprecursor ferroceen wordt toegevoerd aan de CVD-reactor, waar het ontleedt in de atmosfeer van koolmonoxide, het vormen van katalysatordeeltjes ter grootte van nanometers. Op hun oppervlak, disproportionering van koolmonoxide (CO) - gelijktijdige oxidatie en reductie - treedt op en ten slotte, SWNT's groeien. De stroom aan de uitgang van de rector wordt gefilterd, en SWNT's worden verzameld op het nitrocellulosefilter. Door de duur van de ophaaltijd te variëren, onderzoekers verkrijgen films van verschillende diktes. belangrijk, de SWNT-films kunnen gemakkelijk worden overgebracht op verschillende substraten door droge depositie of in hun vrijstaande vorm worden gebruikt, dat is, zonder ondergrond. Deze methode maakt de productie mogelijk van hoogwaardige nanobuisjes zonder amorfe koolstofverontreinigingen.

"Omdat alle koolstofatomen in SWNT's zich op hun oppervlak bevinden, het is relatief eenvoudig om de elektrische eigenschappen van dit unieke materiaal te veranderen. We kunnen de geleidbaarheid van de films verbeteren door doteermiddelen in de nanobuisjes op te nemen of door ze te coaten met elektronenacceptor- of -donormoleculen, " zegt professor Albert Nasibulin van Skoltech. In hun studies, de wetenschappers bedekten de monsters met goudchloride, wiens oplossing werkte als een dopingmiddel, en verkregen films van nanobuisjes gevuld met jodium en koperchloride door ze in een atmosfeer van de juiste dampen te plaatsen. Een dergelijke behandeling verhoogt de ladingsdragerdichtheid in de gevulde buizen en vermindert de contactweerstand daartussen, waardoor flexibele transparante elektroden en materialen met selectieve ladingsoverdracht mogelijk zijn voor gebruik in opto-elektronica en spintronica.

Voor gebruik in elektronica, films moeten efficiënte ladingsdragers zijn, dus onderzochten de natuurkundigen het breedbandspectrum van hun diëlektrische permittiviteit. Maar flexibele elektronica vraagt ​​ook om transparante folies, dus maten de onderzoekers hun optische geleidbaarheid, ook. Beide analyses werden uitgevoerd in een breed temperatuurbereik, van enkele graden boven het absolute nulpunt tot kamertemperatuur. Van bijzonder belang zijn de gegevens die zijn verkregen in de terahertz- en ver-infrarode gebieden van het spectrum. Terwijl eerdere onderzoeksresultaten wezen op een piek in het terahertz-geleidbaarheidsspectrum (bij frequenties tussen ongeveer 0,4 en 30 THz, afhankelijk van de studie), dit artikel meldt geen duidelijke aanwijzingen voor het fenomeen. De auteurs schrijven dergelijke resultaten toe aan de hoge kwaliteit van hun films.

Sinds de analyse van de optische en diëlektrische eigenschappen van de films bij frequenties onder 1, 000 cm⁻¹ onthulde spectrale kenmerken die typerend waren voor geleidende materialen, zoals metalen, het team besloot het bijbehorende geleidbaarheidsmodel te gebruiken dat door Paul Drude was ontwikkeld. Volgens dat model is de lading in de geleiders wordt overgedragen door vrije dragers. Net als de ideale gasmoleculen, ze bewegen tussen de ionen in het rooster en verstrooien bij botsing met zijn trillingen, gebreken of onzuiverheden. In dit onderzoek, de ladingsdragers worden ook verstrooid door de energiebarrières op de kruispunten van individuele nanobuisjes. Echter, zoals de analyse suggereert, deze barrières zijn onbeduidend en zorgen ervoor dat de elektronen bijna vrij door de film kunnen bewegen. Met behulp van het Drude-model, de auteurs waren in staat om de temperatuurafhankelijkheden van de effectieve parameters van de dragers kwantitatief te analyseren, namelijk concentratie, mobiliteit, betekent vrij pad en tijd tussen botsingen - die verantwoordelijk zijn voor de elektrodynamische eigenschappen van de films.

"Ons onderzoek heeft duidelijk aangetoond dat terahertz-spectroscopie een efficiënt hulpmiddel biedt voor het bestuderen van de geleidbaarheidsmechanismen in koolstofnanobuisfilms op macroschaal en het bepalen van de effectieve parameters van ladingsdragers op een contactloze manier. Onze bevindingen tonen aan dat dergelijke films met succes kunnen worden gebruikt als componenten of assemblages in verschillende micro- en nano-elektronische apparaten, " zegt Elena Zhukova, plaatsvervangend hoofd van het Laboratorium voor Terahertz-spectroscopie aan het MIPT.