Físicos do MIPT e da Skoltech encontraram uma maneira de modificar e ajustar propositalmente as propriedades eletrônicas dos nanotubos de carbono para atender aos requisitos de novos dispositivos eletrônicos. O artigo é publicado em Carbon .
Os nanomateriais de carbono formam uma extensa classe de compostos que inclui grafeno, fulerenos, nanotubos, nanofibras e muito mais. Embora as propriedades físicas de muitos desses materiais já apareçam em livros didáticos, os cientistas continuam criando novas estruturas e encontrando maneiras de usá-las em aplicações da vida real. Macroestruturas projetadas como filmes orientados aleatoriamente feitos de nanotubos de carbono parecem teias de aranha muito finas com uma área que atinge várias dezenas de centímetros quadrados e espessura de apenas alguns nanômetros.

Os filmes de nanotubos de carbono apresentam uma incrível combinação de propriedades físicas e químicas, como estabilidade mecânica, flexibilidade, elasticidade, excelente adesão a diversos substratos, inércia química e propriedades elétricas e ópticas excepcionais.

Ao contrário dos filmes metálicos, esses filmes altamente condutores são leves e flexíveis e, portanto, podem ser utilizados em diversos dispositivos elétricos, como blindagens eletromagnéticas, moduladores, antenas, bolômetros, etc.

O conhecimento dos princípios físicos subjacentes é essencial para o uso eficaz das propriedades elétricas e eletrodinâmicas dos filmes na vida real. De particular interesse são as bandas espectrais terahertz e infravermelho distante com comprimentos de onda de 2 mm a 500 nm onde os filmes exibem propriedades típicas de condutores metálicos.

Os cientistas do MIPT e da Skoltech estudaram a condutividade dos filmes nas bandas terahertz e infravermelho usando filmes sintetizados pelo método de deposição em fase gasosa. Alguns dos filmes foram feitos de nanotubos com comprimentos variando de 0,3 a 13 µm, enquanto outros foram tratados com plasma de oxigênio por 100 a 400 segundos e alteraram suas propriedades eletrodinâmicas no processo.

Em um estudo anterior, os autores provaram que a condutividade de filmes pristine de alta qualidade pode ser descrita com precisão usando o modelo de condutividade válido para metais. Nesses filmes, os elétrons livres têm energia suficiente para superar as barreiras de potencial nas interseções de nanotubos individuais e podem se mover com bastante facilidade por todo o filme, o que resulta em alta condutividade.

No entanto, encurtar o comprimento dos tubos (até 0,3 μm) ou expor os filmes ao plasma (por mais de 100 s) leva a uma queda na condutividade em baixas frequências de terahertz (<0,3 THz). A equipe descobriu que em ambos os casos a condutividade muda da mesma maneira e produz resultados semelhantes. 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." + Explorar mais

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films