Физики объяснили металлическую проводимость в углеродных нанотрубках

В результате исследования физики предложили интерпретацию металлического характера проводимости одностенных углеродных нанотрубок, которая была сделана с помощью исследования методами терагерцовой и инфракрасной спектроскопии. Статья опубликована в журнале Carbon международным коллективом ученых из МФТИ, Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А. М. Прохорова, Сколковского института науки и технологий, а также института Аалто (Финляндия).

Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой лист графена, свернутый в цилиндр. Легкие, прочные и устойчивые к действию высоких температур, они могут применяться в качестве добавок для увеличения прочности при производстве композитов, а также в качестве основы аэрозольных фильтров и электрохимических сенсоров. Кроме того, получаемые из них гибкие прозрачные пленки (двумерные сетки из пересекающихся  нанотрубок) имеют значительный потенциал к применению в качестве суперконденсаторов и прозрачных электродов для использования в гибкой электронике — электронных устройствах, которые можно сгибать, сворачивать и скручивать без страха сломать. Поэтому изучение механизмов переноса зарядов в подобных пленках важно не только с точки зрения фундаментальной науки, но и для практических приложений.

Исследователи решили провести измерения оптических и электрических свойств пленок методами терагерцовой и инфракрасной спектроскопии в широком диапазоне температур ― от –268ºС до комнатной температуры, и длин волн падающего излучения ― от ультрафиолетового до терагерцового (длина волны порядка 0,1 мм). Исследование взаимодействия излучения и пленочного образца позволило получить фундаментальную информацию об электродинамических характеристиках пленок.

Авторы работы синтезировали углеродные трубки методом осаждения из аэрозоля. В реакторе, наполненном угарным газом (CO), происходит распад соединения железа — ферроцена — катализатора и прекурсора («затравки») реакции. На поверхности образовавшихся частиц СО распадается, и происходит рост углеродных нанотрубок. Метод позволяет за 10–12 секунд получить трубки высокого качества, без примесей аморфного углерода и частиц катализатора. Далее нанотрубки осаждаются на нитроцеллюлозный фильтр, где, взаимно пересекаясь, образуют сплошную прозрачную пленку. Сняв эту пленку с фильтра, можно перенести ее на любую подложку или же оставить свободной, зафиксированной на металлическом кольце диаметром порядка 1 см.

Изображение поверхности пленки из углеродных нанотрубок, полученное методом атомно-силовой микроскопии. Масштаб изображения 2,5×2 мкм2, шкала псевдоцвета отображает глубину погружения зонда

Исследователи получили пленки как из чистых углеродных трубок, так и из содержащих йод или хлорид меди. Чтобы заменить часть атомов углерода в стенке трубки примесями, нанотрубки вносили в атмосферу паров соответствующих веществ. Плотность носителей зарядов в таких трубках выше, что позволяет получать гибкие прозрачные электроды и селективные по переносу заряда материалы для оптоэлектроники и спинтроники. Внося примеси, можно также управлять химической активностью нанотрубок, которые в исходном виде довольно инертны. Повышенная химическая активность потенциально полезна для хранения/преобразования энергии и многих других приложений.

У получившихся пленок были измерены широкодиапазонные спектры оптической проводимости (для гибкой электроники пленки должны быть прозрачными) и диэлектрической проницаемости (и хорошо передающими заряд) в большом диапазоне температур, от комнатных до гелиевых. Наиболее интересными оказались данные из терагерцовой и дальней инфракрасной частей спектра. В то время как данные из предыдущих исследований демонстрировали наличие пика в терагерцовом спектре проводимости (в области от ~0.4 ТГц до ~30 ТГц у разных коллективов авторов), в настоящем исследовании четких признаков этого пика не наблюдалось. Авторы связывают это с высоким качеством исследованных пленок.

Поскольку при исследовании методом спектроскопии с частотой излучения ниже 1000 см в минус первой степени оптические и диэлектрические характеристики пленок показали, что процессы переноса зарядов в них схожи с таковыми у металлов, авторы использовали модель проводимости, разработанную Паулем Друде. Согласно данной модели, перенос зарядов в проводниках осуществляется свободными носителями, которые, подобно молекулам идеального газа, движутся между ионами решетки, рассеиваясь при столкновении с ее колебаниями, дефектами, либо примесями. В нашем случае помимо дефектов самой нанотрубки вклад вносят также энергетические барьеры в местах пересечений отдельных нанотрубок друг с другом. Однако, как показал анализ, эти барьеры невелики и позволяют электронам путешествовать практически по всей пленке, состоящей из пересекающихся нанотрубок. На основе модели Друде авторам впервые удалось на количественном уровне определить температурные зависимости эффективных параметров носителей тока (концентрацию, подвижность, время и длину свободного пробега), определяющих электродинамические характеристики пленок.

Заместитель заведующего лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, кандидат физико-математических наук Жукова Елена: «Выполненные нами спектроскопические исследования наглядно продемонстрировали высокую эффективность метода терагерцовой спектроскопии при исследовании механизмов проводимости макроразмерных пленок на основе углеродных нанотрубок и при бесконтактном определении эффективных параметров носителей заряда. Полученные нами результаты показывают, что такие пленки могут с успехом использоваться в качестве элементов и узлов в различных областях микро- и оптоэлектроники».