Elektrochemische doping: onderzoekers verbeteren transparante geleiders van koolstofnanobuisjes

Skoltech-onderzoekers en hun collega’s van Aalto University hebben ontdekt dat elektrochemische dotering met ionische vloeistof de optische en elektrische eigenschappen van transparante geleiders gemaakt van enkelwandige koolstofnanobuisfilms aanzienlijk kan verbeteren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof.

Een enkelwandige koolstof nanobuis (SWCNT) is een naadloos gewalst vel grafeen, een lijst van grafiet dat één atoom dik is. Net als andere nieuwe koolstofallotropen, vertonen SWCNT’s unieke eigenschappen die kunnen worden gebruikt in nieuwe elektronische apparaten die we in ons dagelijks leven gebruiken. Een van de meest veelbelovende toepassingen zijn transparante geleiders, die nuttig kunnen zijn in de geneeskunde, groene energie en andere gebieden: hier kunnen SWCNT-films de industriële standaard indium-tinoxide (ITO) vervangen. Ze zijn zeer geleidend, flexibel, rekbaar en kunnen gemakkelijk worden gedoteerd omdat alle atomen in de nanobuis zich op het oppervlak bevinden.

Doping van SWCNT’s maakt het mogelijk de filmgeleiding aanzienlijk te verhogen door de Schottky-barrières tussen de buizen met verschillende aard te elimineren en de concentratie van ladingsdragers te verhogen. Bovendien leidt het doteringsproces tot een verhoging van de doorlaatbaarheid van de films als gevolg van onderdrukking van optische overgangen.

Hoewel adsorptiedoping een van de meest veelbelovende technieken blijft voor SWCNT-modificatie, mist deze methode uniformiteit en omkeerbaarheid. In de nieuwe studie stellen onderzoekers een nieuwe omkeerbare methode voor om het Fermi-niveau van SWCNT’s te verfijnen, waardoor de geleidbaarheid dramatisch toeneemt terwijl de optische overgangen worden onderdrukt. Hiervoor gebruikten ze elektrochemische doping met een ionische vloeistof met een groot potentiaalvenster, wat een hoge mate van doping mogelijk maakt.

“We plaatsten de SWCNT-dunne film in de elektrochemische cel en gebruikten een standaardschema met drie elektroden om potentiaal toe te passen op de nanobuisjes. Door de negatieve / positieve potentiaal toe te passen op de SWCNT-film, wordt een elektrische dubbele laag gevormd op de SWCNT / ionische vloeistofinterface. De laatstgenoemde fungeert als parallelle plaatcondensator en veroorzaakt een positieve / negatieve ladinginjectie op het SWCNT-filmoppervlak en bijgevolg de Fermi-niveaubeweging “, legt Daria Kopylova uit, de eerste auteur van de studie en senior research scientist bij Skoltech.

De wetenschappers konden aantonen dat hun elektrochemische methode kan bijdragen aan het bereiken van extreem hoge dopingniveaus, vergelijkbaar met de beste resultaten voor recentelijk in het veld gepubliceerde gedoteerde SWCNT-films.

“Het proces is volledig omkeerbaar zodat het kan worden gebruikt om de elektronische structuur van de enkelwandige koolstofnanobuisjes in realtime te verfijnen. Met de poortspanning kunt u zowel de optische doorlaatbaarheid als de elektrische geleidbaarheid van de films aansturen. De resultaten openen nieuwe wegen voor toekomstige elektronica, elektrochrome apparaten en ionotronica, “zegt Albert Nasibulin, hoofd van het laboratorium voor nanomaterialen bij het Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials.