Une équipe internationale de chercheurs a examiné les propriétés optiques et diélectriques de films macroscopiques minces à base de nanotubes de carbone monoparoi et a obtenu une explication de la nature métallique de leur conductivité en utilisant la spectroscopie infrarouge et térahertz. Les résultats de la recherche ont été publiés dans des revues Carbone et Nanotechnologie .

Un nanotube de carbone monoparoi, ou SWNT, peut être représenté comme une feuille de graphène enroulée dans un cylindre. Léger, fort, et résistant aux hautes températures, Les SWNT peuvent être utilisés comme additifs aux matériaux composites pour les rendre plus durables, ou comme blocs de construction pour fabriquer des filtres aérosols et des capteurs électrochimiques. Films de nanotubes de carbone transparents et flexibles, c'est-à-dire Les structures 2D formées par l'intersection de nanotubes ont une grande variété d'applications potentielles, par exemple en tant que supercondensateurs ou électrodes transparentes dans l'électronique flexible - dispositifs électroniques pouvant être pliés, plié, et tordu sans casser. L'étude des mécanismes de transfert de charge dans de tels films est donc importante à la fois pour la recherche fondamentale et les applications pratiques.

Les physiciens ont mesuré les propriétés optiques et électriques des films par spectroscopie infrarouge térahertz à diverses températures, de -268 degrés Celsius à la température ambiante, et dans une large gamme de longueurs d'onde de rayonnement incident, de l'ultraviolet au térahertz (longueurs d'onde d'environ 1 millimètre). L'étude de l'interaction entre les films et le rayonnement a fourni des données fondamentales sur l'électrodynamique des films.

Les films SWNT ont été synthétisés en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en aérosol. Brièvement, une vapeur du ferrocène précurseur de catalyseur est introduite dans le réacteur CVD, où il se décompose dans l'atmosphère de monoxyde de carbone, formant des particules de catalyseur de taille nanométrique. A leur surface, la dismutation du monoxyde de carbone (CO) - oxydation et réduction simultanées - se produit et enfin, Les SWNT grandissent. Le flux à la sortie du recteur est filtré, et les SWNTs sont collectés sur le filtre de nitrocellulose. En variant la durée du temps de collecte, les chercheurs obtiennent des films de différentes épaisseurs. Surtout, les films SWNT peuvent être facilement transférés sur différents substrats par dépôt à sec ou utilisés sous leur forme autoportante, C'est, sans substrat. Cette méthode permet la production de nanotubes de haute qualité sans impuretés de carbone amorphe.

« Comme tous les atomes de carbone des SWNT sont situés à leur surface, il est relativement facile de modifier les propriétés électriques de ce matériau unique. On peut améliorer la conductivité des films soit en incorporant des dopants dans les nanotubes, soit en les enrobant de molécules accepteurs ou donneurs d'électrons, " dit le professeur Albert Nasibulin de Skoltech. Dans leurs études, les scientifiques ont enduit les échantillons de chlorure d'or, dont la solution a agi comme dopant, et obtenu des films à partir de nanotubes remplis d'iode et de chlorure de cuivre en les plaçant dans une atmosphère de vapeurs appropriées. Un tel traitement augmente la densité des porteurs de charge dans les tubes remplis et réduit la résistance de contact entre eux, permettant des électrodes et des matériaux transparents flexibles avec transfert de charge sélectif pour une utilisation en optoélectronique et en spintronique.

Pour une utilisation en électronique, les films doivent être des porteurs de charge efficaces, les physiciens ont donc examiné le spectre large bande de leur permittivité diélectrique. Mais l'électronique flexible nécessite aussi des films transparents, les chercheurs ont donc mesuré leur conductivité optique, également. Les deux analyses ont été effectuées dans une large plage de températures, de plusieurs degrés au-dessus du zéro absolu à la température ambiante. Les données obtenues dans les régions térahertz et infrarouge lointain du spectre sont particulièrement intéressantes. Alors que les résultats de recherches antérieures indiquaient un pic dans le spectre de conductivité térahertz (à des fréquences comprises entre environ 0,4 et 30 THz, selon l'étude), cet article ne rapporte aucune indication claire du phénomène. Les auteurs attribuent ces résultats à la haute qualité de leurs films.

Depuis l'analyse des propriétés optiques et diélectriques des films à des fréquences inférieures à 1, 000 cm⁻¹ ont révélé des caractéristiques spectrales typiques des matériaux conducteurs, comme les métaux, l'équipe a décidé d'utiliser le modèle de conductivité correspondant développé par Paul Drude. Selon ce modèle, la charge dans les conducteurs est transférée par des porteurs libres. Comme les molécules de gaz parfaits, ils se déplacent entre les ions dans le réseau et se dispersent lors de la collision avec ses vibrations, défauts ou impuretés. Dans cette étude, les porteurs de charge sont également dispersés par les barrières énergétiques aux intersections des nanotubes individuels. Cependant, comme le suggère l'analyse, ces barrières sont insignifiantes et permettent aux électrons de se déplacer presque librement à travers le film. En utilisant le modèle Drude, les auteurs ont pu analyser quantitativement les dépendances à la température des paramètres effectifs des porteurs, à savoir, concentration, mobilité, signifient le libre parcours et le temps entre les collisions, qui sont responsables des propriétés électrodynamiques des films.

"Notre recherche a clairement démontré que la spectroscopie térahertz fournit un outil efficace pour étudier les mécanismes de conductivité dans les films de nanotubes de carbone à grande échelle et déterminer les paramètres efficaces des porteurs de charge sans contact. Nos résultats montrent que de tels films peuvent être utilisés avec succès comme composants ou assemblages dans divers dispositifs micro- et nanoélectroniques, " dit Elena Joukova, directeur adjoint du laboratoire de spectroscopie térahertz du MIPT.