Российские ученые нашли способ изменять электронные свойства углеродных нанотрубок внутри пленок и подстраивать их для применения в электронных приборах. Они выяснили, что проводимость этих материалов зависит от длины составляющих их нанотрубок. Кроме того, ее можно изменить, облучая нанотрубки плазмой. Работа опубликована в журнале Carbon.
Пленки из углеродных нанотрубок представляют собой перспективные материалы, которые отличаются механической стабильностью, гибкостью, растяжимостью, высокой адгезией к различным подложкам, химической инертностью и исключительными электрическими и оптическими свойствами. Эти характеристики можно использовать в различных электроустройствах. Однако необходимо изучить, какие физические принципы определяют эти уникальные свойства. Наиболее интересен терагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны, в которых пленки проявляют свойства, характерные для металлических проводников.
Ученые из МФТИ и Сколтеха исследовали проводимость пленок в терагерцовом и инфракрасном диапазонах частот. Для работы авторы брали пленки, синтезированные методом осаждения из газовой фазы. Часть пленок была приготовлена из нанотрубок различной длины. Другая группа пленок подвергалась воздействию кислородной плазмой в течение 100–400 секунд, которое меняло их электродинамические свойства.
Ранее авторы доказали, что проводимость высококачественных пленок хорошо описывается моделью проводимости дли металлов. В таких пленках энергия свободных электронов оказывается достаточной для преодоления потенциальных барьеров между отдельными соприкасающимися нанотрубками. Такие электроны почти «свободно» перемещаются по всей пленке, что и приводит к высокой проводимости.
Однако при уменьшении длины трубок, составляющих пленки, или длительном воздействии на них плазмой проводимость на терагерцовых частотах значительно уменьшается. Это связано с тем, что из-за облучения плазмой увеличивается число дефектов в нанотрубках и растет число потенциальных барьеров на пути электронов. С уменьшением длины нанотрубок число потенциальных барьеров на единицу площади также увеличивается. Эти барьеры существенно влияют на проводимость нанотрубок на постоянном токе и на достаточно низких частотах.
При низких температурах кинетическая энергия электронов слишком мала, чтобы они могли преодолеть потенциальный барьер. На достаточно высоких частотах, как показано авторами, электроны ведут себя как свободные. Так что в пленках из коротких трубок или из трубок, обработанных плазмой, на достаточно низких частотах и на постоянном токе будет наблюдаться возрастание температурного коэффициента сопротивления, который показывает, как меняется сопротивление с изменением температуры.
Теперь авторы статьи планируют продолжить изучение модифицированных пленок, например растянутых в одном или нескольких направлениях.
«Оказалось, что контролируемое разрушение этого замечательного материала путем обработки пленок микроволновой плазмой приводит к новым интересным и неожиданным свойствам. В частности, мы наблюдаем значительное увеличение температурного коэффициента сопротивления в пленках из однослойных углеродных нанотрубок. Происходит это за счет того, что конкурирующие вклады в проводимость от металлических и полупроводниковых трубок перестают играть важную роль, а проводимость пленки главным образом определяется сформированными дефектами. Это представляет большой интерес для создания приборов нового поколения, например высокоскоростных болометров, работающих при комнатной температуре», — рассказывает соавтор исследования Альберт Насибулин.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
