Физики из МФТИ и Сколтеха нашли способ изменять электронные свойства углеродных нанотрубок и подстраивать их для применения в электронных приборах. Работа опубликована в журнале Carbon. Углеродные наноматериалы представляют широкий класс соединений: графен, фуллерены, нанотрубки, нановолокна и другие. Физические свойства многих из них уже вошли в учебники, но ученые продолжают создавать новые структуры и находить для них практическое применение.

Одна из таких макроструктур — пленки, составленные из углеродных нанотрубок, которые ориентированы в случайном порядке. Внешне пленки чем-то похожи на тончайшие паутинки: их длина и ширина могут достигать нескольких десятков сантиметров, а толщина — в миллионы раз меньше, несколько нанометров.

Пленки из углеродных нанотрубок обладают замечательным сочетанием физических и химических свойств. Они механически стабильны, гибки и растяжимы, отличаются высокой адгезией к различным подложкам, химической инертностью и исключительными электрическими и оптическими свойствами. Имея высокую проводимость, пленки обладают преимуществами перед пленками из металлов: легкостью и гибкостью. Их можно применять в различных электроустройствах: экранах, модуляторах, антеннах, болометрах и так далее.

Образец пленки из углеродных нанотрубок под сканирующим электронным микроскопом / ©Пресс-служба МФТИ

Чтобы наиболее эффективно использовать на практике электрические и электродинамические свойства пленок, необходимо изучить, какие физические принципы такие свойства определяют. Наибольший интерес представляют терагерцовый и дальний инфракрасный диапазоны (длина волны излучения — от 2 мм до 500 нм), 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, которая варьировалась от 0,3 до 13 мкм. Другая группа пленок подвергалась воздействию кислородной плазмой в течение 100–400 секунд. Такое воздействие меняло электродинамические свойства пленок.

Ранее авторы в своей работе доказали, что проводимость высококачественных пленок хорошо описывается моделью проводимости, справедливой для 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. Но при уменьшении длины трубок (до 0,3 мкм) или длительном воздействии на них плазмой (> 100 с) проводимость на терагерцовых частотах (< 0,3 ТГц) значительно уменьшается.

Оказалось, что изменения проводимости пленок при воздействии на них плазмой или при уменьшении длины нанотрубок аналогичны. Это связано с тем, что облучение плазмой приводит к увеличению числа дефектов в нанотрубках, а следовательно, росту числа потенциальных барьеров на пути электронов. С уменьшением длины нанотрубок число потенциальных барьеров на единицу площади также увеличивается.

Эти барьеры существенно влияют на проводимость нанотрубок (а, следовательно, и пленок) на постоянном токе и на достаточно низких частотах. Эффект объясняется тем, что при низких температурах кинетическая энергия электронов слишком мала, чтобы электроны могли преодолеть потенциальный барьер. На достаточно высоких частотах, как показано авторами, электроны перестают чувствовать присутствие барьеров и ведут себя как свободные.

Так что в пленках, составленных 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.

Слева: обработка углеродных нанотрубок кислородной плазмой вызывает возникновение дефектов, изменяющих их электрические характеристики. Справа: на верхней панели изображены частотные зависимости поверхностного сопротивления обработанных (красная линия) и необработанных (синяя линия) пленок. На нижней панели представлены зависимости температурных коэффициентов сопротивления этих же пленок / ©Пресс-служба МФТИ

При длительности облучения более 100 секунд или при длине нанотрубок меньше 0,3 мкм температурный коэффициент сопротивления выходит на насыщение: при этих параметрах оригинальная структура пленки нарушается, а вместе с этим исчезают и оригинальные свойства. Ученые МФТИ и Сколтеха планируют продолжить изучение модифицированных пленок, например растянутых в одном или нескольких направлениях.

Один из соавторов работы, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Борис Горшунов, комментирует: «Если нанотрубки подробно и давно изучались, то макрообъекты из этих трубок — пленки — стали исследоваться относительно недавно. По сравнению с металлическими пленками, они гораздо легче, химически и механически стабильны, что делает их привлекательными для применений в электронике. Зная фундаментальную физику, определяющую электрические свойства пленок, мы можем целенаправленно подстраивать эти свойства для конкретных практических применений. Особенно актуальны исследования на частотах терагерцового диапазона, которые будут рабочими в средствах телекоммуникации недалекого будущего».

Ю «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», — замечает профессор Альберт Насибулин, заведующий лабораторией наноматериалов Сколковского института науки и технологий.