Ученые уточнили оптические и диэлектрические характеристики тонких макроскопического размера пленок из однослойных углеродных нанотрубок и предложили интерпретацию металлического характера их проводимости, на основе данных исследований методами терагерцевой и инфракрасной спектроскопии. Результаты опубликованы в журнале Carbon, и в журнале Nanotechnology международным коллективом ученых из МФТИ, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Сколтеха, а также института Аалто, Финляндия.
Однослойная углеродная нанотрубка представляет собой лист графена, свернутый в цилиндр. Легкие, 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 пленки (двумерные сетки из пересекающихся нанотрубок) имеют значительный потенциал к применению в качестве суперконденсаторов и прозрачных электродов для использования в гибкой электронике — электронных устройств, которые можно сгибать, сворачивать и скручивать без страха сломать. Поэтому изучение механизмов переноса зарядов в подобных пленках важно не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для практических приложений.
Исследователи решили провести измерения оптических и электрических свойств пленок методами терагерцовой и инфракрасной спектроскопии в широком диапазоне температур ― от -268ºС до комнатной температуры, и длин волн падающего излучения ― от ультрафиолетового до терагерцового (длина волны порядка 0.1 мм). Исследование взаимодействия излучения и пленочного образца позволило получить фундаментальную информацию об электродинамических характеристиках пленок.
Авторы исследования синтезировали углеродные трубки аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы. В проточном реакторе в атмосфере монооскида углерода происходит распад паров соединения железа — ферроцена — 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 пленочки, которую можно легко перенести на любую подложку или подвесить в свободном состоянии, т.е. без подложки.
«Так как у однослойных углеродных нанотрубок каждый атом находится на поверхности, то это дает возможность относительно простого вмешательства в электронные свойства этого удивительного материала. Для повышения проводимости пленок улеродные 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 пленки хлоридом золота, используя раствор этого допанта, а также получили пленки 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 пленки из углеродных нанотрубок, полученное методом атомно-силовой микроскопии. Масштаб изображения 2.5×2.5 мкм2, шкала псевдоцвета отображает глубину погружения зонда. Изображение предоставлено авторами исследования
У получившихся пленок были измерены широкодиапазонные спектры оптической проводимости (для гибкой электроники пленки 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 терагерцовой и дальней инфракрасной частей спектра. В то время как данные из предыдущих исследований демонстрировали наличие пика в терагерцовом спектре проводимости (в области от ~0.4 ТГц до ~30 ТГц у разных коллективов авторов), в настоящем исследовании четких признаков этого пика не наблюдалось. Авторы связывают это с высоким качеством исследованных пленок.
Поскольку при исследовании методом спектроскопии с частотой излучения ниже 1000 см-1 оптические и диэлектрические характеристики пленок показали, что процессы переноса зарядов в них схожи с таковыми у металлов, 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 решетки, рассеиваясь при столкновении с ее 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 пленке, 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 пленок.
«Выполненные нами спектроскопические исследования наглядно продемонстрировали высокую эффективность метода терагерцовой спектроскопии при исследовании механизмов проводимости макро-размерных пленок на основе углеродных нанотрубок и при бесконтактном определении эффективных параметров носителей заряда. Полученные нами результаты показывают, что такие пленки могут с успехом использоваться в качестве элементов и узлов в различных областях микро- и оптоэлектроники», ― прокомментировала Елена Жукова, к.ф.-м.н, заместитель заведующего лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (программа 5топ100), грантом РФФИ №15-12-30041 и грантом ФЦП ИР RFMEFI59417X0014.
