Nanotube-film åbner nye muligheder for elektronik 

Fysikere fra MIPT og Skoltech har fundet en måde at ændre og med vilje justere de elektroniske egenskaber af kulstofnanorør for at opfylde kravene til nye elektroniske enheder. Avisen er udgivet i Carbon .

Carbon nanomaterialer udgør en omfattende klasse af forbindelser, der inkluderer grafen, fullerener, nanorør, nanofibre og mere. Selvom de fysiske egenskaber af mange af disse materialer allerede optræder i lærebøger, fortsætter videnskabsmænd med at skabe nye strukturer og finde måder at bruge dem i virkelige applikationer. Makrostrukturer designet som tilfældigt orienterede film lavet af kulstofnanorør ligner meget tynde spindelvæv med et areal på flere dusin kvadratcentimeter og en tykkelse på kun nogle få nanometer.

Carbon nanorør-film viser en fantastisk kombination af fysiske og kemiske egenskaber, såsom mekanisk stabilitet, fleksibilitet, strækbarhed, fremragende vedhæftning til forskellige substrater, kemisk inerthed og exceptionelle elektriske og optiske egenskaber.

I modsætning til metalliske film er disse stærkt ledende film lette og fleksible og kan derfor bruges i forskellige elektriske enheder, såsom elektromagnetiske skjolde, modulatorer, antenner, bolometre og så videre.

Kendskabet til de underliggende fysiske principper er afgørende for effektiv brug af filmenes elektriske og elektrodynamiske egenskaber i det virkelige liv. Af særlig interesse er terahertz- og fjerninfrarøde spektralbånd med bølgelængder på 2 mm til 500 nm, hvor filmene udviser egenskaber, der er typiske for metalliske ledere.

MIPT og Skoltech-forskere studerede filmledningsevne i terahertz- og infrarøde bånd ved hjælp af film syntetiseret ved gasfaseaflejringsmetoden. Nogle af filmene var lavet af nanorør med længder varierende fra 0,3 til 13 µm, mens andre blev behandlet med oxygenplasma i 100 til 400 sekunder og ændrede deres elektrodynamiske egenskaber i processen.

I en tidligere undersøgelse beviste forfatterne, at ledningsevnen af ​​uberørte film af høj kvalitet kan beskrives nøjagtigt ved hjælp af ledningsevnemodellen, der er gyldig for metaller. In these films, free electrons have enough energy to overcome potential barriers at the intersections of individual nanotubes and can move quite easily over the entire film, which results in high conductivity.

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." + Udforsk yderligere

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films