Инфракрасная и терагерцовая спектроскопия, используемая для исследования металлической проводимости пленок SWNT

]

Диэлектрические и оптические характеристики тонких макроскопических пленок были исследованы группой международных исследователей – из МФТИ; Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН; Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН; Skoltech и Aalto University (Финляндия) – в зависимости от однослойных углеродных нанотрубок.

Команда также получила интерпретацию металлической проводимости пленок, приняв инфракрасную и терагерцовую спектроскопию. Результаты исследования были представлены в двух журналах – «Углерод и нанотехнологии».

Авторы: Московский физико-технический институт

Однослойную углеродную нанотрубку (то есть SWNT) можно представить как графеновый лист, заключенный внутри цилиндра. SWNT являются прочными, легкими и устойчивыми к более высоким температурам, поэтому их можно применять в качестве элементарных устройств для изготовления электрохимических датчиков и аэрозольных фильтров или в качестве добавок к композитным материалам, чтобы сделать их очень долговечными. Гибкие и прозрачные пленки углеродных нанотрубок, которые представляют собой двухмерные структуры, выполненные из пересекающихся нанотрубок, находят широкий спектр перспективных приложений, например, в виде прозрачных электродов или суперконденсаторов в гибкой электронике или электронных устройств с склонностью к свертыванию, изгибу и скрученный без нарушения. Следовательно, анализ механизмов переноса заряда в этих пленках очень важен не только для фундаментальных исследований, но и для практического использования.

Физики приняли терагерцово-инфракрасную спектроскопию при температурах от -268 ° C до температуры окружающей среды и под широким спектром волн падающего излучения (от ультрафиолетового до терагерца, то есть длины волн около 1 мм), для измерения электрических и оптических характеристик пленок. Исследование взаимодействия пленок с падающим излучением дало основные данные, связанные с электродинамикой пленок.

Пленки SWNT были получены методом аэрозольного химического осаждения из паровой фазы (CVD). Короче говоря, пара ферроцена (предшественник катализатора) вводится в реактор CVD, где он распадается в атмосфере монооксида углерода (CO) и образует частицы катализатора нанометрового размера. Диспропорционирование СО (или одновременное окисление и восстановление) происходит на их поверхности, и в конечном итоге ОСНТ растет. Поток из выходного отверстия реактора фильтруется, и SWNT собирают по нитроцеллюлозному фильтру.

Пленки с различной толщиной могут быть получены путем изменения продолжительности времени сбора. В частности, пленки SWNT можно просто транспортировать на различные подложки посредством сухого осаждения или их можно использовать в их независимой форме или без подложки. Этот метод позволяет получать высококачественные нанотрубки без каких-либо аморфных примесей углерода.

Поскольку все атомы углерода в ОСНТ расположены на их поверхности, относительно легко изменить электрические свойства этого уникального материала. Мы можем улучшить проводимость пленок либо путем включения легирующих примесей в нанотрубки, либо путем покрытия их электрон-акцепторными или -донорными молекулами.

Профессор Альберт Насибулин, Сколтех

В рамках своих исследований исследователи покрыли хлорид золота на образцах, которые функционировали как легирующий агент, и приобрели пленки из нанотрубок, в том числе йода и хлорида меди, разместив их в атмосфере подходящих паров. Помимо увеличения плотности носителей заряда в заполненных трубах, процесс минимизирует контактное сопротивление между ними, что позволяет производить материалы с селективной переносом заряда и гибкими прозрачными электродами, которые могут применяться в спинтронике и оптоэлектронике.

Если пленки должны использоваться в электронике, они должны быть эффективными носителями заряда. Поэтому команда исследовала широкополосный спектр диэлектрической проницаемости пленок. Тем не менее, гибкая электроника также обеспечивает прозрачность фильмов; поэтому команда также измерила оптическую проводимость. Два исследования проводились в широком температурном диапазоне, то есть от нескольких градусов выше абсолютного нуля до комнатной температуры

Особый интерес представляют данные, полученные в терагерцах, а также в дальнем инфракрасном диапазоне спектра. В отличие от предыдущих результатов исследований, которые показали пик в спектре проводимости терагерцового излучения на частотах от 0,4 до 30 ТГц, на основании исследования это исследование не сообщило о явных признаках этого явления. Команда аккредитовывает такие результаты для более высокого качества фильмов.

. Поскольку исследование диэлектрических и оптических характеристик пленок на частотах менее 1000 на см показало спектральные особенности, характерные для проводящих материалов (таких как металлы), исследователи придумали соответствующую модель проводимости, разработанную Павлом Друде. Как указано в модели, заряд в проводниках передается свободными носителями: подобно молекулам идеального газа, они продвигаются между ионами в решетке и разлетаются в результате столкновения с его дефектами, вибрациями или примесями.

В этом исследовании носители заряда также были рассеяны на энергетических барьерах на стыках отдельных нанотрубок. Тем не менее, как показывает исследование, барьеры тривиальны и позволяют электронам свободно перемещаться внутри пленки. Применяя модель Друде, авторы могли количественно исследовать зависимость эффективных параметров носителей (таких как подвижность, концентрация, время между столкновениями и длина свободного пробега) от температуры. Именно эти параметры отвечают за электродинамические характеристики пленок.

. Наши исследования наглядно продемонстрировали, что терагерцовая спектроскопия обеспечивает эффективный инструмент для изучения механизмов проводимости в пленках углеродных нанотрубок с макромасштабированием и бесконтактным определением эффективных параметров носителей заряда. Наши результаты показывают, что такие пленки могут быть успешно использованы в качестве компонентов или сборок в различных микро- и наноэлектронных устройствах.

Елена Жукова, заместитель начальника Лаборатории терагерцовой спектроскопии, МФТИ

Министерство исследований и науки Российской Федерации (проект 5-100, грант федеральной целевой программы № RFMEFI59417X0014) и Российский фонд фундаментальных исследований (грант № 15-12-30041) поддержали исследование.

]

Source link