Nanobuisfilms openen nieuwe perspectieven voor elektronica

Natuurkundigen van MIPT en Skoltech hebben een manier gevonden om de elektronische eigenschappen van koolstofnanobuisjes aan te passen en doelbewust af te stemmen op de vereisten van nieuwe elektronische apparaten. De krant is gepubliceerd in Koolstof.

Koolstof nanomaterialen vormen een uitgebreide klasse van verbindingen die grafeen, fullerenen, nanobuisjes, nanovezels en meer omvat. Hoewel de fysieke eigenschappen van veel van deze materialen al in leerboeken voorkomen, blijven wetenschappers nieuwe structuren creëren en manieren vinden om ze in echte toepassingen te gebruiken. Macrostructuren die zijn ontworpen als willekeurig georiënteerde films gemaakt van koolstofnanobuisjes, zien eruit als zeer dunne spinnenwebben met een oppervlakte van enkele tientallen vierkante centimeters en een dikte van slechts enkele nanometers.

Films van koolstofnanobuisjes vertonen een verbazingwekkende combinatie van fysische en chemische eigenschappen, zoals mechanische stabiliteit, flexibiliteit, rekbaarheid, uitstekende hechting op verschillende substraten, chemische inertie en uitzonderlijke elektrische en optische eigenschappen.

In tegenstelling tot metaalfilms zijn deze sterk geleidende films licht en flexibel en kunnen daarom worden gebruikt in verschillende elektrische apparaten, zoals elektromagnetische schilden, modulatoren, antennes, bolometers, enzovoort.

De kennis van de onderliggende fysische principes is essentieel voor een effectief gebruik van de elektrische en elektrodynamische eigenschappen van de films in het echte leven. Van bijzonder belang zijn de terahertz en ver-infrarood spectrale banden met golflengten van 2 mm tot 500 nm waar de films eigenschappen vertonen die typisch zijn voor metalen geleiders.

Wetenschappers van MIPT en Skoltech bestudeerden de geleidbaarheid van films in de terahertz- en infraroodbanden met behulp van films die zijn gesynthetiseerd door de gasfase-afzettingsmethode. Sommige films waren gemaakt van nanobuisjes met een lengte variërend van 0,3 tot 13 µm, terwijl andere werden behandeld met zuurstofplasma gedurende 100 tot 400 seconden en daarbij hun elektrodynamische eigenschappen veranderden.

In een eerdere studie hebben de auteurs bewezen dat de geleidbaarheid van hoogwaardige ongerepte films nauwkeurig kan worden beschreven met behulp van het geleidbaarheidsmodel dat geldig is voor metalen. In deze films hebben vrije elektronen voldoende energie om potentiële barrières op de kruispunten van individuele nanobuisjes te overwinnen en kunnen ze vrij gemakkelijk over de hele film bewegen, wat resulteert in een hoge geleidbaarheid.

Het verkorten van de buislengte (tot 0,3 m) of het blootstellen van films aan plasma (langer dan 100 s) leidt echter tot een daling van de geleidbaarheid bij lage terahertz-frequenties (

Voor plasmablootstelling van meer dan 100 seconden of nanobuislengtes van minder dan 0,3 m bereikt TCR verzadiging. Het effect kan worden beschouwd als een voorloper van TCR-reductie in de films die zeer lang aan plasma worden blootgesteld wanneer afzonderlijke buizen ernstig worden beschadigd en hun bijzondere elektrische eigenschappen verliezen.

MIPT- en Skoltech-onderzoekers zijn van plan om gemodificeerde films te blijven bestuderen, inclusief films die in een of meer richtingen zijn uitgerekt. Boris Gorshunov, co-auteur van het artikel en hoofd van het MIPT-laboratorium voor Terahertz-spectroscopie, merkt op: “In tegenstelling tot nanobuisjes die al lang tot in detail zijn bestudeerd, is het onderzoek naar macro-objecten, zoals nanobuisfilms, pas onlangs begonnen. Nanobuisfilms zijn veel lichter en chemisch en mechanisch veel stabieler dan metaalfilms en zijn daarom aantrekkelijker voor elektronische toepassingen.Omdat we de fundamentele fysica achter de elektrische eigenschappen van de films kennen, kunnen we ze afstemmen op specifieke toepassingen in de praktijk. in de terahertz-band, die binnenkort alomtegenwoordig zal worden in de telecommunicatie, is van bijzonder belang.”