Физики объяснили металлическую проводимость в углеродных нанотрубках

bez-zagolovka

Учёные уточнили оптические и диэлектрические характеристики тонких плёнок макроскопического размера из однослойных углеродных нанотрубок и предложили интерпретацию металлического характера их проводимости на основе данных исследований методами терагерцевой и инфракрасной спектроскопии. Результаты опубликованы в журналах Carbon и Nanotechnology международным коллективом учёных из МФТИ, Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Сколтеха, а также Университета Аалто (Финляндия).

Однослойная углеродная нанотрубка представляет собой лист графена, свёрнутый в цилиндр. Лёгкие, прочные, устойчивые к действию высоких температур, они могут применяться в качестве добавок для увеличения прочности при производстве композитов, а также в качестве основы аэрозольных фильтров и электрохимических сенсоров. Кроме того, получаемые из них гибкие прозрачные плёнки (двумерные сетки из пересекающихся нанотрубок) имеют значительный потенциал к применению в качестве суперконденсаторов и прозрачных электродов для гибкой электроники — электронных устройствах, которые можно сгибать, сворачивать и скручивать, не боясь сломать. Поэтому изучение механизмов переноса зарядов в подобных плёнках важно не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для практических приложений.

Исследователи решили провести измерения оптических и электрических свойств плёнок методами терагерцевой и инфракрасной спектроскопии при температурах от −268 градусов Цельсия до комнатной в широком диапазоне длин волн падающего излучения — от ультрафиолетового до терагерцевого (длина волны порядка 0,1 миллиметра). Исследование взаимодействия излучения и плёночного образца позволило получить фундаментальную информацию об электродинамических характеристиках плёнок.

Авторы исследования синтезировали углеродные трубки аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы. В проточном реакторе в атмосфере монооксида углерода (CO) происходит распад паров соединения железа под названием ферроцен — предшественника катализатора. На поверхности образовавшихся металлических частиц СО распадается и происходит рост углеродных нанотрубок. Метод позволяет получить трубки высокого качества без примесей аморфного углерода. На выходе из реактора нанотрубки осаждаются на фильтр в виде плёнки, которую можно легко перенести на любую подложку или подвесить в свободном состоянии — без подложки.

 

«Так как у однослойных углеродных нанотрубок каждый атом находится на поверхности, то это даёт возможность относительно простого вмешательства в электронные свойства этого удивительного материала. Для повышения проводимости плёнок углеродные нанотрубки могут быть либо покрыты электрон-акцепторными или донорными молекулами, либо допант можно внедрить внутрь нанотрубок», — отметил Альберт Насибулин, д. т. н., профессор Сколтеха. В своих работах авторы покрыли плёнки хлоридом золота, используя раствор этого допанта, а также получили плёнки из трубок, заполненных йодом или хлоридом меди. Для этого нанотрубки вносили в атмосферу паров соответствующих веществ. При такой обработке плотность носителей зарядов в заполненных трубках увеличивается, а контактное сопротивление между ними существенно снижается, что позволяет получать гибкие прозрачные электроды и селективные по переносу заряда материалы для оптоэлектроники и спинтроники.

Изображение поверхности плёнки из углеродных нанотрубок, полученное методом атомно-силовой микроскопии. Масштаб изображения 2,5 × 2,5 микрометров; шкала псевдоцвета отображает глубину погружения зонда. Изображение предоставлено авторами исследования

Изображение поверхности плёнки из углеродных нанотрубок, полученное методом атомно-силовой микроскопии. Масштаб изображения 2,5 × 2,5 микрометров; шкала псевдоцвета отображает глубину погружения зонда. Изображение предоставлено авторами исследования

 

У получившихся плёнок были измерены широкодиапазонные спектры оптической проводимости (для гибкой электроники плёнки должны быть прозрачными) и диэлектрической проницаемости (и хорошо передающими заряд) в большом диапазоне температур, от комнатной до температуры жидкого гелия. Наиболее интересными оказались данные из терагерцевой и дальней инфракрасной частей спектра. В то время как данные из предыдущих исследований демонстрировали наличие пика в терагерцевом спектре проводимости (в области от ~0,4 до ~30 терагерц у разных коллективов авторов), в настоящем исследовании чётких признаков этого пика не наблюдалось. Авторы связывают это с высоким качеством исследованных плёнок.

Поскольку при исследовании методом спектроскопии с частотой излучения ниже 1000 см⁻¹ оптические и диэлектрические характеристики плёнок показали, что процессы переноса зарядов в них схожи с аналогичным явлением в металлах, авторы использовали модель проводимости, разработанную Паулем Друде. Согласно данной модели, перенос зарядов в проводниках осуществляется свободными носителями, которые, подобно молекулам идеального газа, движутся между ионами решётки, рассеиваясь при столкновении с её колебаниями, дефектами  либо примесями. В нашем случае помимо дефектов самой нанотрубки вклад вносят также энергетические барьеры в местах пересечений отдельных нанотрубок друг с другом. Однако, как показал анализ, эти барьеры невелики и позволяют электронам путешествовать практически по всей плёнке, состоящей из пересекающихся нанотрубок. На основе модели Друде авторам впервые удалось на количественном уровне определить температурные зависимости эффективных параметров носителей тока (концентрацию, подвижность, время и длину свободного пробега), определяющих электродинамические характеристики плёнок.

 

«Выполненные нами спектроскопические исследования наглядно продемонстрировали высокую эффективность метода терагерцевой спектроскопии при исследовании механизмов проводимости макроразмерных плёнок на основе углеродных нанотрубок и при бесконтактном определении эффективных параметров носителей заряда. Полученные нами результаты показывают, что такие плёнки могут с успехом использоваться в качестве элементов и узлов в различных областях микро- и оптоэлектроники», — прокомментировала работу Елена Жукова, к. ф.-м. н, заместитель заведующего лабораторией терагерцевой спектроскопии МФТИ.

 

 

Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (программа 5-100), грантом РФФИ № 15-12-30041 , грантом ФЦП ИР RFMEFI59417X0014 и Российским научным фондом(соглашение No 17-19-01787).

 

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK