Afsløring af elektronernes bevægelse i en kulstof nanospole

Carbon nanocoils (CNC'er) er en eksotisk klasse af lavdimensionelle nanocarboner, hvis spiralform kan gøre dem velegnede til applikationer såsom mikrobølgeabsorbere og forskellige mekaniske komponenter såsom fjedre. Typiske tykkelser og spolediametre af CNC'er falder inden for intervallerne 100-400 nm og 400-1000 nm, henholdsvis, og deres fulde længder er meget større, i størrelsesordenen flere titalls mikrometer. På trods af tidligere pionerarbejde, forholdet mellem den geometriske form af naturlige CNC'er og deres mekaniske og elektriske egenskaber, især den elektriske resistivitet, er ikke godt forstået.

Nu, forskere ved Toyohashi Tech, University of Yamanashi, National Institute of Technology, Gifu College, og Tokai Carbon Co., Ltd. har fastslået, at modstanden af ​​CNC'er stiger med spolediameteren. Dette krævede udvikling af en præcis resistivitetsmålemetode, ved hjælp af en fokuseret ionstråle (FIB) og nanomanipulatorteknik til at vælge en prøve CNC med den ønskede spolegeometri og derefter lave faste elektriske forbindelser til instrumentets elektroder. Alle resistivitetsdata opnået med CNC'er var godt tilpasset af en kurve forudsagt af en teori kendt som variabel range-hopping (VRH), som er velegnet til uordnede materialer ved lave temperaturer.

Forskningen viser, at det indre af nanospolen indeholder materiale, der påvirker dens elektriske egenskaber. Forskerne undersøgte 15 individuelle CNC'er, og tre CNC'er, der var blevet kunstigt grafitiseret for at give dem lavere resistivitet (G-CNC'er). Selvom CNC'ernes resistivitet steg med spolediameteren, det var næsten uændret for G-CNC'erne. Som en konsekvens, for CNC'er med de største diametre, resistiviteten var næsten to størrelsesordener større end for de grafitiserede versioner. Denne store uoverensstemmelse i resistiviteten mellem CNC'er og G-CNC'er indikerer en betydelig strukturel kompleksitet inde i CNC'erne. Vores resultater antyder, at det indre af CNC'er med stor spolediameter er fyldt med et stærkt uordnet kulstofnetværk, der består af mange små områder (kendt som sp2-domæner) indlejret i et hav af amorft kulstof. For at bekræfte denne teori, temperaturafhængigheden af ​​resistiviteten mellem 4 K og 280 K blev undersøgt. Resistivitetsdataene adlød to forskellige versioner af VRH-teorien; regimet i temperaturområdet 50-280 K viste sig at være den såkaldte Mott-VRH-version, mens det i intervallet 4-20 K var Efros-Shklovskii-VRH-versionen. Interessant nok, resistivitetskurverne skiftede jævnt mellem regimer, da spolediameteren blev ændret.

"Vi fandt denne adfærd for tre år siden. På grund af to studerendes indsats, vi inkluderede resistivitetsdata for G-CNC'er og lige carbon nanofibre (CNF'er), og sammenlignede dem med dataene for CNC'erne ", forklarer lektor Yoshiyuki Suda, "Jeg er så glad for, at Prof. Hiroyuki Shima og Dr. Tamio Iida sluttede sig til denne undersøgelse. Vi indhentede lavtemperaturmålingsdata og diskuterede det ved hjælp af VRH-teorien. Til sidst, vi kom til den konklusion, at denne adfærd er et unikt fænomen for CNC'er og kan tilpasses af VRH."

Den første forfatter, Kandidatstuderende Yasushi Nakamura, kommenterede, hvordan de gik ud over andre gruppers CNC -resistivitetsmålinger. "Det var en lang og udfordrende opgave. Jeg var nødt til at forberede mange enkelt CNC-prøver ved hjælp af et fokuseret ionstråleapparat. Vores fund blev opnået ved at etablere et præcist målesystem ved hjælp af et scanningselektronmikroskop og erhverve resistivitetsdata for mange enkelt CNC'er."

Gruppens nuværende resultater om resistivitet er i kvalitativ overensstemmelse med deres tidligere resultater om de mekaniske egenskaber af CNC'er:Trækbelastningsforsøg viste, at deres forskydningsmodul stiger med spolediameteren. Den positive korrelation mellem forskydningsmodulet og spolediameteren er muligvis forårsaget af det faktum, at i CNC'er med stor diameter, populationen af ​​sp2-domæner, som er skrøbelige over for forskydningsspændinger, er reduceret i forhold til CNC'er med lille diameter.

Disse resultater antyder, at med nanocoils, modstanden såvel som induktansen er defineret af geometriske faktorer. I særdeleshed, spole diameter, tonehøjde, og længde er vigtige. Den fundne korrelation kan bruges til at forbedre kontrollen over spidsfrekvensen af ​​elektromagnetisk bølgeabsorption, hvor et bestemt frekvensområde (~GHz) absorberes, afhængig af impedansegenskaberne.

Disse resultater baner vejen for CNC-baserede nanoenheder, lige fra elektromagnetiske bølgeabsorbere til nano-solenoider og ekstra følsomme mekaniske fjedre.