Международная команда исследователей опубликовала работу, в которой уточняются оптические и диэлектрические характеристики тонких (макроскопического размера) плёнок из одностенных углеродных нанотрубок.
На рассмотрение научного сообщества предложена интерпретация металлического характера проводимости таких плёнок.
Статья опубликована в журнале Carbon и доступна онлайн.
Одностенная углеродная нанотрубка — графеновая плоскость, свёрнутая в цилиндр. Это лёгкий, прочный, устойчивый к действию высоких температур материал. Он интересен не только как объект изучения физиков-экспериментаторов: углеродные нанотрубки можно применять как добавку для увеличения прочности при производстве композитов, а также в качестве основы аэрозольных фильтров и электрохимических сенсоров.
Получаемые из одностенных углеродных нанотрубок гибкие прозрачные плёнки (двумерные сетки из пересекающихся нанотрубок) могут потребоваться для создания новых эффективных суперконденсаторов (мы писали об этом — «Суперконденсаторы на основе графена добавят динамики электромобилям») и прозрачных электродов для использования в гибкой электронике (см. «Мятый графен позволит выпускать суперконденсаторы для гибких устройств»). Поэтому изучение механизмов переноса зарядов в подобных плёнках важно не только с точки зрения «чистой» науки, но и для достижения практических целей.
Измерения оптических и электрических свойств плёнок проводились методами терагерцовой и инфракрасной спектроскопии в широком диапазоне температур (от −268 °C до комнатной температуры) и длин волн падающего излучения — от ультрафиолетового до терагерцового (длина волны порядка 0,1 мм).
Таким образом была получена важная информация об электродинамических характеристиках изучаемых плёнок.
Углеродные трубки синтезировались методом осаждения из аэрозоля. В реакторе, наполненном угарным газом (CO), происходит распад соединения железа — ферроцена — катализатора и прекурсора («затравки») реакции. На поверхности образовавшихся частиц CO распадается, происходит рост углеродных нанотрубок. Метод позволяет быстро получить трубки высокого качества — без примесей аморфного углерода и частиц катализатора.
Далее нанотрубки осаждаются на нитроцеллюлозный фильтр, где, взаимно пересекаясь, образуют сплошную прозрачную плёнку. Её можно перенести на любую подложку или даже оставить свободной, зафиксировав на металлическом кольце диаметра порядка одного антиметра.
В ходе экспериментов учёные получили плёнки как из чистых углеродных трубок, так и из содержащих йод или хлорид меди.
Чтобы заменить часть атомов углерода в стенке трубки примесями, нанотрубки вносили в атмосферу паров соответствующих веществ. Плотность носителей зарядов в таких трубках выше, что позволяет получать гибкие прозрачные электроды и отобранные по переносу заряда материалы для оптоэлектроники и спинтроники.
Добавление примесей изменяет химическую активность нанотрубок (в исходном виде они довольно инертны). Повышенная химическая активность может быть нужна, например, в устройствах хранения и преобразования энергии.
У получившихся плёнок были измерены широкодиапазонные спектры оптической проводимости (гибкая электроника требует прозрачных плёнок) и диэлектрическая проницаемость в большом диапазоне температур, от комнатных до гелиевых.
Авторы указывают на то, что высокое качество исследованных плёнок позволило получить более точные, чем удавалось получить ранее, данные.
Заместитель заведующего лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, к. ф.-м. н. Жукова Елена, одна из авторов публикации, прокомментировала работу:
«Выполненные нами спектроскопические исследования наглядно продемонстрировали высокую эффективность метода терагерцовой спектроскопии при исследовании механизмов проводимости макро-размерных 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».
