Ученые заставили сети из углеродных нанотрубок свободно проводить ток

С помощью терагерцовой спектроскопии группа российских физиков показала, что двумерные сети из одностенных углеродных нанотрубок обладают металлической проводимостью. Результаты работы, опубликованной в Carbon, показывают, что благодаря свободному транспорту электронов между отдельными нанотрубками такие пленки являются перспективным материалом для микро- и оптоэлектроники.

Углеродные нанотрубки, которые представляют из себя трубки из одного или нескольких слоев графена, благодаря своей электронной структуре могут проявлять как полупроводниковые, так и металлические свойства. Это позволяет использовать их в качестве компонентов различных электронных устройств, например, при разработке эффективных транзисторов или для выработки электричества в гибкой носимой электронике. Кроме того, двумерные прозрачные сетки из одностенных углеродных нанотрубок считаются перспективным материалом для создания прозрачных суперконденсаторов. Но из-за того, что довольно сложно получить такие структуры без дополнительных примесей, приводящих к увеличению контактного сопротивления на стыки двух нанотрубок, до сих пор данные об их проводимости достаточно противоречивые.

Для того, чтобы определить природу проводимости в таких пленках, группа физиков из Московского физико-технического института и нескольких других институтов под руководством Бориса Горшунова (B. P. Gorshunov) и Елены Жуковой (E. S. Zhukova) провела исследование оптических и проводящих свойств углеродных нанотрубок (чистых или легированных хлоридом меди и иодом) при температурах от −268 градусов Цельсия до комнатной.

Углеродные нанотрубки были синтезированы методом осаждения из аэрозоля, в качестве источника углерода использовался ферроцен. Такой метод позволяет получить тонкие пленки из углеродных нанотрубок без примесей побочных продуктов и катализаторов всего за 10-12 секунд. В результате исследователям удалось получить тонкий прозрачный слой из неупорядоченной сетки углеродных нанотрубок.

Для исследования оптических и проводящих свойств таких пленок ученые использовали спектроскопию в терагерцовой и инфракрасной областях. Полученные данные показали, что в терагерцовой части спектра для нанотрубок не наблюдается пика проводимости между 0.4 и 30 терагерцами, которые неоднократно наблюдались в предыдущих работах. По словам авторов, это связано с тем, что им удалось получить более чистый слой, с плотными контактами между отдельными нанотрубками. Вместо этого, в полученных пленках ученые обнаружили металлическую проводимость, для описания которой они использовали модель Друде. Эта модель предполагает, что электроны ведут себя в материале как газ, частицы которого свободно перемещаются как внутри одной нанотрубки, так и между ними, сталкиваясь при этом друг с другом и узлами кристаллической решетки.

Используя данную модель, ученые получили данные о концентрации носителей заряда, их подвижности и длине свободного пробега в пленке. В зависимости от температуры и количества примесей, которые повышают химическую активность нанотрубок. Оказалось, что для всех типов нанотрубок проводимость практически не изменяется при повышении температуры, а введение легирующих добавок иода или хлорида меди позволяет увеличить концентрацию носителей заряда и проводимость пленок примерно в три-четыре раза.

По словам авторов работы, полученные результаты во-первых, показали перспективность использования терагерцовой спектроскопии для бесконтактного метода определения электропроводящих свойств материалов на основе углеродных нанотрубок, а во-вторых, о том, что такие пленки могут использоваться для электромагнитных приложений с использованием частот вплоть до нескольких терагерц.

Терагерцовое излучение сейчас находит все больше различных способов применения при исследовании динамики носителей заряда в различных материалах. В частности, его можно использовать для повышения разрешения микроскопии. Использование терагерцовой спектроскопии не ограничивается только исследованием электронных свойств материалов, а может применяться и в более необычных приложениях, например, с помощью нее можно читать книгу, даже не открывая ее.

Александр Дубов