Les films nanotubes ouvrent de nouvelles perspectives pour l'électronique

Figure 1. Film de nanotubes de carbone au microscope électronique à balayage. Crédit :Institut des sciences et technologies de Skolkovo

Des physiciens du MIPT et de Skoltech ont trouvé un moyen de modifier et d'ajuster délibérément les propriétés électroniques des nanotubes de carbone pour répondre aux exigences des nouveaux appareils électroniques. L'article est publié dans Carbon .

Les nanomatériaux de carbone forment une vaste classe de composés qui comprend le graphène, les fullerènes, les nanotubes, les nanofibres, etc. Bien que les propriétés physiques de bon nombre de ces matériaux apparaissent déjà dans les manuels, les scientifiques continuent de créer de nouvelles structures et de trouver des moyens de les utiliser dans des applications réelles. Les macrostructures conçues comme des films à orientation aléatoire faits de nanotubes de carbone ressemblent à des toiles d'araignées très fines avec une surface atteignant plusieurs dizaines de centimètres carrés et une épaisseur de seulement quelques nanomètres.

Les films de nanotubes de carbone présentent une étonnante combinaison de propriétés physiques et chimiques, telles que la stabilité mécanique, la flexibilité, l'extensibilité, une excellente adhérence à divers substrats, l'inertie chimique et des propriétés électriques et optiques exceptionnelles.

Contrairement aux films métalliques, ces films hautement conducteurs sont légers et flexibles et peuvent donc être utilisés dans divers appareils électriques, tels que les blindages électromagnétiques, les modulateurs, les antennes, les bolomètres, etc.

La connaissance des principes physiques sous-jacents est essentielle pour une utilisation efficace des propriétés électriques et électrodynamiques des films dans la vie réelle. Les bandes spectrales térahertz et infrarouge lointain avec des longueurs d'onde de 2 mm à 500 nm présentent un intérêt particulier, car les films présentent des propriétés typiques des conducteurs métalliques.

Figure 2. Le traitement par plasma d'oxygène crée des défauts qui modifient les caractéristiques électriques des nanotubes de carbone (à gauche). La boîte supérieure montre la résistance de surface en fonction de la fréquence pour les films traités (courbe rouge) et vierges (courbe bleue) (à droite). La boîte inférieure montre les coefficients de température de résistance (TCR) en fonction de la température pour les mêmes films. Crédit :Institut des sciences et technologies de Skolkovo

Les scientifiques du MIPT et de Skoltech ont étudié la conductivité des films dans les bandes térahertz et infrarouge à l'aide de films synthétisés par la méthode de dépôt en phase gazeuse. Certains des films étaient constitués de nanotubes de longueurs variant de 0,3 à 13 µm, tandis que d'autres ont été traités avec un plasma d'oxygène pendant 100 à 400 secondes et ont modifié leurs propriétés électrodynamiques au cours du processus.

Dans une étude antérieure, les auteurs ont prouvé que la conductivité de films vierges de haute qualité peut être décrite avec précision à l'aide du modèle de conductivité valable pour les métaux. Dans ces films, les électrons libres ont suffisamment d'énergie pour surmonter les barrières de potentiel aux intersections des nanotubes individuels et peuvent se déplacer assez facilement sur l'ensemble du film, ce qui se traduit par une conductivité élevée.

However, shortening tubes length (down to 0.3 μm) or exposing films to plasma (for longer than 100 s) leads to a drop in conductivity at low terahertz frequencies (<0.3 THz). The team discovered that in both cases conductivity changes in much the same way and produces similar results. Exposure to plasma results in a larger amount of defects and, therefore, a larger amount of potential barriers for itinerant electrons. For shorter nanotubes, the number of barriers per unit area increases, too. The barriers strongly affect conductivity of both nanotubes and films at direct current (DC) and fairly low frequencies, because at low temperatures electrons lack kinetic energy to overcome potential barriers. The authors showed that at high enough frequencies electrons move freely as if the barriers were not there. At low frequencies and in the DC case, films made up of short or plasma-treated tubes exhibit a higher temperature coefficient of resistance (TCR) which shows how resistance changes with temperature.

For plasma exposure of over 100 seconds or nanotube lengths below 0.3 μm, TCR reaches saturation. The effect can be considered as a precursor of TCR reduction in the films that are exposed to plasma for a very long time when separate tubes become severely damaged and lose their peculiar electric properties.

MIPT and Skoltech researchers plan to continue studying modified films, including those stretched in one or more directions. Boris Gorshunov, a co-author of the paper and head of the MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy, comments:"In contrast to nanotubes that have long been studied in great detail, research on macro objects, such as nanotube films, started only recently. Nanotube films are much lighter and more stable chemically and mechanically than metallic films and, therefore, are more appealing for electronics applications. Since we know the fundamental physics behind the films' electrical properties, we can tune them for specific real-life applications. Research in the terahertz band which will soon become ubiquitous in telecommunications is of particular relevance." + Explorer plus loin