Fysikere forklarer metallisk ledningsevne af tynde kulstof nanorørfilm

Et internationalt team af forskere har undersøgt de optiske og dielektriske egenskaber af tynde makroskopiske film baseret på enkeltvæggede kulstofnanorør og opnået en forklaring på den metalliske karakter af deres ledningsevne ved hjælp af infrarød og terahertz-spektroskopi. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i tidsskrifterne Kulstof og Nanoteknologi .

Et enkeltvægget kulstof nanorør, eller SWNT, kan afbildes som en grafenplade rullet til en cylinder. Lys, stærk, og modstandsdygtig over for høje temperaturer, SWNT'er kan bruges som additiver til kompositmaterialer for at gøre dem mere holdbare, eller som byggesten til fremstilling af aerosolfiltre og elektrokemiske sensorer. Gennemsigtige og fleksible kulstof nanorør-film - dvs. 2-D strukturer dannet af krydsende nanorør - har en bred vifte af potentielle anvendelser, som superkondensatorer eller gennemsigtige elektroder i fleksibel elektronik – elektroniske enheder, der kan bøjes, foldet, og snoet uden at gå i stykker. Studiet af ladningsoverførselsmekanismerne i sådanne film er derfor vigtigt for både grundforskning og praktiske anvendelser.

Fysikerne målte filmenes optiske og elektriske egenskaber ved terahertz-infrarød spektroskopi ved en række forskellige temperaturer, fra -268 grader Celsius til stuetemperatur, og i en lang række af indfaldende strålingsbølgelængder - fra ultraviolet til terahertz (bølgelængder på omkring 1 millimeter). Undersøgelsen af ​​interaktionen mellem filmene og strålingen gav grundlæggende data om filmens elektrodynamik.

SWNT-filmene blev syntetiseret ved anvendelse af aerosol kemisk dampaflejring (CVD). Kort, en damp af katalysatorprækursoren ferrocen tilføres CVD-reaktoren, hvor det nedbrydes i atmosfæren af ​​kulilte, dannelse af katalysatorpartikler på nanometerstørrelse. På deres overflade, carbonmonoxid (CO) disproportionering - samtidig oxidation og reduktion - forekommer og til sidst, SWNT'er vokser. Strømmen ved udløbet af rektor filtreres, og SWNT'er opsamles på nitrocellulosefilteret. Ved at variere varigheden af ​​indsamlingstiden, forskere får film af forskellig tykkelse. Vigtigt, SWNT-filmene kan nemt overføres til forskellige substrater ved tør aflejring eller anvendes i deres fritstående form, det er, uden underlag. Denne metode muliggør produktion af højkvalitets nanorør uden amorfe kulstofurenheder.

"Da alle kulstofatomer i SWNT'er er placeret på deres overflade, det er relativt nemt at ændre de elektriske egenskaber af dette unikke materiale. Vi kan forbedre filmenes ledningsevne enten ved at inkorporere dopingstoffer i nanorørene eller ved at belægge dem med elektronacceptor- eller -donormolekyler, " siger professor Albert Nasibulin fra Skoltech. I deres studier, forskerne coated prøverne med guldchlorid, hvis løsning virkede som dopingmiddel, og opnåede film fra nanorør fyldt med jod og kobberchlorid ved at placere dem i en atmosfære af passende dampe. En sådan behandling øger ladningsbærerens tæthed i de fyldte rør og reducerer kontaktmodstanden mellem dem, muliggør fleksible transparente elektroder og materialer med selektiv ladningsoverførsel til brug i optoelektronik og spintronik.

Til brug i elektronik, film skal være effektive ladningsbærere, så fysikerne undersøgte bredbåndsspektret af deres dielektriske permittivitet. Men fleksibel elektronik kræver også gennemsigtige film, så forskerne målte deres optiske ledningsevne, såvel. Begge analyser blev udført i et bredt temperaturområde, fra flere grader over det absolutte nulpunkt til stuetemperatur. Af særlig interesse er data opnået i terahertz- og fjerninfrarøde områder af spektret. Mens tidligere forskningsresultater pegede på en top i terahertz-konduktivitetsspektret (ved frekvenser mellem ca. 0,4 og 30 THz, afhængig af studiet), dette papir rapporterer ingen klare indikationer af fænomenet. Forfatterne tilskriver sådanne resultater den høje kvalitet af deres film.

Da analysen af ​​filmenes optiske og dielektriske egenskaber ved frekvenser under 1, 000 cm⁻¹ afslørede spektrale træk, der var typiske for ledende materialer, som metaller, holdet besluttede at anvende den tilsvarende ledningsevnemodel, som blev udviklet af Paul Drude. Efter den model, ladningen i lederne overføres af frie transportører. Ligesom de ideelle gasmolekyler, de bevæger sig mellem ionerne i gitteret og spredes ved kollision med dets vibrationer, defekter eller urenheder. I dette studie, ladningsbærerne er også spredt af energibarriererne ved skæringspunkterne mellem individuelle nanorør. Imidlertid, som analysen antyder, disse barrierer er ubetydelige og tillader elektronerne at bevæge sig næsten frit hen over filmen. Ved at bruge Drude-modellen, forfatterne var i stand til kvantitativt at analysere temperaturafhængighederne af bærernes effektive parametre – nemlig, koncentration, mobilitet, betyder fri vej og tid mellem kollisioner - som er ansvarlige for filmenes elektrodynamiske egenskaber.

"Vores forskning har tydeligt vist, at terahertz-spektroskopi giver et effektivt værktøj til at studere ledningsevnemekanismerne i kulstof-nanorørfilm i makroskala og bestemme de effektive parametre for ladningsbærere på en ikke-kontakt måde. Vores resultater viser, at sådanne film med succes kan bruges som komponenter. eller samlinger i forskellige mikro- og nanoelektroniske enheder, " siger Elena Zhukova, souschef for Laboratory of Terahertz Spectroscopy ved MIPT.