Des scientifiques de Skoltech et leurs collègues de Russie et de Finlande ont trouvé un moyen non invasif de mesurer l'épaisseur des films de nanotubes de carbone à paroi unique, qui peuvent trouver des applications dans une grande variété de domaines allant de l'énergie solaire aux textiles intelligents. L'article a été publié dans la revue Lettres de physique appliquée .

Un nanotube de carbone à paroi simple (SWCNT) est essentiellement une feuille de graphite d'un atome d'épaisseur qui est roulée dans un tube. Ils sont un allotrope (une forme physique) du carbone, un peu comme les fullerènes, graphène, diamant, et graphite. Les SWCNT sont très prometteurs dans diverses applications industrielles, allant des cellules solaires et LED aux lasers ultrarapides, électrodes transparentes, et textiles intelligents.

Toutes ces candidatures, cependant, nécessitent des mesures assez précises de l'épaisseur du film SWCNT et des propriétés optiques. « L'épaisseur du film est assez importante pour de nombreuses applications et est généralement caractérisée par la quantité de lumière pouvant être transférée à travers le film dans le domaine spectral visible :plus la transparence est élevée, moins l'épaisseur du film est importante. Cependant, un contrôle précis de l'épaisseur du film et des constantes optiques est essentiel lorsqu'il faut concevoir des électrodes transparentes efficaces. Par exemple, nous avons besoin de connaître l'épaisseur pour améliorer les propriétés antireflet de la surface à base de couche de fenêtre SWCNT transparente pour les cellules solaires. Pour estimer et ensuite utiliser les propriétés mécaniques des films SWCNT, il faut prédire les dimensions géométriques des films, " dit le professeur Albert Nasibulin, chef du laboratoire des nanomatériaux au Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials

Les méthodes existantes pour les mesures de constantes optiques comprennent les spectroscopies d'absorption et de perte d'énergie des électrons, tandis que les paramètres géométriques peuvent être déterminés par microscopie électronique à transmission, microscopie électronique à balayage ou microscopie à force atomique. Ces méthodes sont peu gourmandes en ressources et nécessitent une préparation d'échantillons, ce qui pourrait affecter les propriétés mêmes des films SWCNT que l'on essaie de mesurer.

Une équipe de chercheurs dirigée par Albert Nasibulin de Skoltech et de l'Université Aalto a pu concevoir un système rapide, sans contact, et technique universelle pour une estimation précise de l'épaisseur du film SWCNT et de leurs fonctions diélectriques. Ils ont trouvé une solution de contournement pour utiliser l'ellipsométrie spectroscopique (SE), un non destructif, vite, et technique de mesure très sensible, pour les films SWCNT.

"L'ellipsométrie est une méthode indirecte que nous pouvons utiliser pour déterminer les paramètres du film, et les méthodes standard de traitement des données ne sont pas toujours applicables ici. A première vue, un film mince de nanotubes de carbone est un objet très difficile pour cette technique :constitué de plusieurs millions de tubes individuels et groupés de taille nanométrique orientés aléatoirement, il a une forte absorption dans toute la gamme spectrale, faible réflexion et anisotropie dans ses propriétés optiques. Néanmoins, le premier auteur de l'article, Georgy Ermolaev, un étudiant d'un programme commun de maîtrise Skoltech-MIPT, a trouvé un algorithme élégant pour récupérer l'épaisseur et les constantes optiques dans un seul ensemble de mesures optiques, " dit Yuriy Gladush, l'un des co-auteurs de l'article.

Les chercheurs ont fabriqué des films SWCNT d'épaisseur et d'absorption variables entre 90 % et 45 % à 550 nm et ont déterminé l'indice de réfraction à large bande (250 à 3 300 nm) et l'épaisseur correspondante des films.

"On s'attendait à ce que les propriétés optiques dépendent de la densité de conditionnement des nanotubes de carbone dans le film, mais la surprise était dans l'ampleur de cet effet. Une seule goutte d'éthanol peut comprimer ou densifier le film et faire passer l'indice de réfraction de 1,07 à 1,7, ouvrant des opportunités simples pour ajuster les propriétés optiques des films SWCNT, ", ajoute Albert Nasibulin.

L'équipe pense que d'autres scientifiques peuvent s'appuyer sur leurs travaux et, entre autres, utiliser leur approche au-delà du domaine des nanotubes de carbone pour d'autres types de ces structures.