Natuurkundigen van MIPT en Skoltech hebben een manier gevonden om de elektronische eigenschappen van koolstofnanobuisjes aan te passen en doelbewust af te stemmen op de vereisten van nieuwe elektronische apparaten. Het artikel is gepubliceerd in Carbon .

Koolstof nanomaterialen vormen een uitgebreide klasse van verbindingen die grafeen, fullerenen, nanobuisjes, nanovezels en meer omvat. Hoewel de fysieke eigenschappen van veel van deze materialen al in leerboeken voorkomen, blijven wetenschappers nieuwe structuren creëren en manieren vinden om ze in echte toepassingen te gebruiken. Macrostructuren die zijn ontworpen als willekeurig georiënteerde films gemaakt van koolstofnanobuisjes, zien eruit als zeer dunne spinnenwebben met een oppervlakte van enkele tientallen vierkante centimeters en een dikte van slechts enkele nanometers.

Films van koolstofnanobuisjes vertonen een verbazingwekkende combinatie van fysische en chemische eigenschappen, zoals mechanische stabiliteit, flexibiliteit, rekbaarheid, uitstekende hechting op verschillende substraten, chemische inertie en uitzonderlijke elektrische en optische eigenschappen.

In tegenstelling tot metaalfilms zijn deze sterk geleidende films licht en flexibel en kunnen daarom worden gebruikt in verschillende elektrische apparaten, zoals elektromagnetische schilden, modulatoren, antennes, bolometers, enzovoort.

De kennis van de onderliggende fysische principes is essentieel voor een effectief gebruik van de elektrische en elektrodynamische eigenschappen van de films in het echte leven. Van bijzonder belang zijn de terahertz en ver-infrarood spectrale banden met golflengten van 2 mm tot 500 nm, waar de films eigenschappen vertonen die typisch zijn voor metalen geleiders.

Wetenschappers van MIPT en Skoltech bestudeerden de geleidbaarheid van films in de terahertz- en infraroodbanden met behulp van films die zijn gesynthetiseerd door de gasfase-afzettingsmethode. Sommige films waren gemaakt van nanobuisjes met een lengte variërend van 0,3 tot 13 µm, terwijl andere werden behandeld met zuurstofplasma gedurende 100 tot 400 seconden en daarbij hun elektrodynamische eigenschappen veranderden.

In een eerdere studie hebben de auteurs bewezen dat de geleidbaarheid van hoogwaardige ongerepte films nauwkeurig kan worden beschreven met behulp van het geleidbaarheidsmodel dat geldig is voor metalen. In deze films hebben vrije elektronen voldoende energie om potentiële barrières op de kruispunten van individuele nanobuisjes te overwinnen en kunnen ze vrij gemakkelijk over de hele film bewegen, wat resulteert in een hoge geleidbaarheid.

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." + Verder verkennen

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films