Uma equipe internacional de pesquisadores examinou as propriedades ópticas e dielétricas de filmes macroscópicos finos baseados em nanotubos de carbono de parede única e obteve uma explicação para a natureza metálica de sua condutividade usando espectroscopia infravermelha e terahertz. Os resultados da pesquisa foram publicados nas revistas Carbono e Nanotecnologia .

Um nanotubo de carbono de parede única, ou SWNT, pode ser retratado como uma folha de grafeno enrolada em um cilindro. Luz, Forte, e resistente a altas temperaturas, SWNTs podem ser usados ​​como aditivos para materiais compostos para torná-los mais duráveis, ou como blocos de construção para fabricar filtros de aerossol e sensores eletroquímicos. Filmes de nanotubos de carbono transparentes e flexíveis, ou seja, Estruturas 2-D formadas por nanotubos que se cruzam - têm uma ampla variedade de aplicações potenciais, por exemplo, como supercondensadores ou eletrodos transparentes em eletrônicos flexíveis - dispositivos eletrônicos que podem ser dobrados, guardada, e torcido sem quebrar. O estudo dos mecanismos de transferência de carga em tais filmes é, portanto, importante para a pesquisa básica e aplicações práticas.

Os físicos mediram as propriedades ópticas e elétricas dos filmes por espectroscopia de infravermelho terahertz em uma variedade de temperaturas, de -268 graus Celsius à temperatura ambiente, e em uma ampla gama de comprimentos de onda de radiação incidente - de ultravioleta a terahertz (comprimentos de onda de cerca de 1 milímetro). O estudo da interação entre os filmes e a radiação rendeu dados fundamentais sobre a eletrodinâmica dos filmes.

Os filmes SWNT foram sintetizados usando deposição química de vapor em aerossol (CVD). Brevemente, um vapor do ferroceno precursor do catalisador é fornecido ao reator CVD, onde se decompõe na atmosfera de monóxido de carbono, formando partículas de catalisador de tamanho nanométrico. Na superfície deles, a desproporção do monóxido de carbono (CO) - oxidação e redução simultâneas - ocorre e, finalmente, Os SWNTs crescem. O fluxo na saída do reitor é filtrado, e os SWNTs são coletados no filtro de nitrocelulose. Variando a duração do tempo de coleta, os pesquisadores obtêm filmes de diferentes espessuras. Mais importante, os filmes SWNT podem ser facilmente transferidos para diferentes substratos por deposição a seco ou usados ​​em sua forma independente, isso é, sem substrato. Este método permite a produção de nanotubos de alta qualidade sem impurezas de carbono amorfo.

"Uma vez que todos os átomos de carbono em SWNTs estão localizados em sua superfície, é relativamente fácil alterar as propriedades elétricas desse material único. Podemos melhorar a condutividade dos filmes incorporando dopantes aos nanotubos ou revestindo-os com moléculas aceitadoras ou doadoras de elétrons, "diz o professor Albert Nasibulin da Skoltech. Em seus estudos, os cientistas revestiram as amostras com cloreto de ouro, cuja solução atuou como um agente dopante, e obteve filmes de nanotubos preenchidos com iodo e cloreto de cobre, colocando-os em uma atmosfera de vapores apropriados. Tal tratamento aumenta a densidade do portador de carga nos tubos preenchidos e reduz a resistência de contato entre eles, permitindo eletrodos transparentes flexíveis e materiais com transferência seletiva de carga para uso em optoeletrônica e spintrônica.

Para uso em eletrônica, os filmes precisam ser portadores de carga eficientes, então os físicos examinaram o espectro de banda larga de sua permissividade dielétrica. Mas a eletrônica flexível também requer películas transparentes, então os pesquisadores mediram sua condutividade óptica, também. Ambas as análises foram conduzidas em uma ampla faixa de temperatura, de vários graus acima do zero absoluto à temperatura ambiente. De particular interesse são os dados obtidos nas regiões terahertz e infravermelho distante do espectro. Embora as descobertas de pesquisas anteriores apontassem para um pico no espectro de condutividade terahertz (em frequências entre cerca de 0,4 e 30 THz, dependendo do estudo), este artigo não relata nenhuma indicação clara do fenômeno. Os autores atribuem tais resultados à alta qualidade de seus filmes.

Desde a análise das propriedades ópticas e dielétricas dos filmes em frequências abaixo de 1, 000 cm⁻¹ revelou características espectrais típicas de materiais condutores, como metais, a equipe decidiu empregar o modelo de condutividade correspondente desenvolvido por Paul Drude. De acordo com esse modelo, a carga nos condutores é transferida por portadoras gratuitas. Como as moléculas de gás ideais, eles se movem entre os íons na rede e se espalham após a colisão com suas vibrações, defeitos ou impurezas. Neste estudo, os portadores de carga também são espalhados pelas barreiras de energia nas interseções de nanotubos individuais. Contudo, como a análise sugere, essas barreiras são insignificantes e permitem que os elétrons se movam quase livremente pelo filme. Usando o modelo Drude, os autores foram capazes de analisar quantitativamente as dependências da temperatura dos parâmetros efetivos dos portadores - a saber, concentração, mobilidade, significa caminho livre e tempo entre as colisões - que são responsáveis ​​pelas propriedades eletrodinâmicas dos filmes.

"Nossa pesquisa demonstrou claramente que a espectroscopia terahertz fornece uma ferramenta eficiente para estudar os mecanismos de condutividade em filmes de nanotubos de carbono em macroescala e determinar os parâmetros efetivos de portadores de carga de forma sem contato. Nossos resultados mostram que tais filmes podem ser usados ​​com sucesso como componentes ou conjuntos em vários dispositivos micro e nanoeletrônicos, "diz Elena Zhukova, vice-chefe do Laboratório de Espectroscopia Terahertz do MIPT.