一个来自MIPT的国际研究团队;列别捷夫物理研究所,RAS;Prokhorov综合物理研究所，RAS;Skoltech;Aalto大学(芬兰)研究了基于单壁碳纳米管的薄宏观薄膜的光学和介电特性，并利用红外和tera赫兹光谱学对其导电性的金属性质进行了解释。研究结果发表在《碳与纳米技术》杂志上。
一个单壁碳纳米管，或SWNT，可以被描绘成一个石墨烯薄片卷成圆柱体。轻、强、耐高温，SWNTs可作为复合材料的添加剂，使其更耐用，或作为制造气溶胶过滤器和电化学传感器的积木。透明和灵活的碳纳米管薄膜——也就是由相互交叉的纳米管形成的二维结构——有各种各样的潜在应用，例如在柔性电子设备上的超级电容器或透明电极——可以弯曲、折叠和扭曲而不断裂的电子设备。因此，研究这些薄膜的电荷转移机制对于基础研究和实际应用都很重要。
物理学家们用特拉赫茨-红外光谱(terahertz -红外光谱)测量了不同温度下的薄膜的光学和电特性，从- 268摄氏度到室温，以及一系列不同的辐射波长——从紫外光到太赫兹(波长约1毫米)。通过对薄膜与辐射相互作用的研究，得出了有关薄膜电动力学的基本数据。
采用气溶胶化学气相沉积法合成了SWNT薄膜。简单地说，一种催化剂前体茂铁的蒸汽被供应到CVD反应器中，在那里它在一氧化碳的大气中分解，形成纳米级的催化剂颗粒。在它们表面，一氧化碳(CO)歧化-同时氧化和还原-发生，最后SWNTs生长。反应器出口的气流经过过滤，SWNTs被收集到硝基纤维素过滤器上。通过改变采集时间的长短，可以获得不同厚度的膜。重要的是，SWNT薄膜可以很容易地通过干燥的沉积或在其独立的形式中使用，也就是说，没有底物。这种方法可以生产高质量的纳米管，没有无定形的碳杂质。
由于SWNTs中的所有碳原子都位于它们的表面，所以相对容易改变这种独特材料的电性。我们可以通过将掺杂剂加入纳米管或用电子受体或受体分子涂层来提高薄膜的电导率，”Skoltech的Albert Nasibulin教授说。在他们的研究中，科学家们在样本中涂上了氯化金，其溶液充当了兴奋剂，并通过将碘和氯化铜填充在适当的蒸汽中，从纳米管中获得薄膜。这样的处理增加了填充管的电荷载体密度，减少了它们之间的接触电阻，使柔性透明的电极和材料具有选择性电荷转移，用于光电子和自旋电子学。
为了在电子产品中使用，电影需要是有效的电荷载体，所以物理学家们研究了他们介电常数的宽带谱。但柔性电子技术也将要求薄膜是透明的，因此它们的光学导电性也被测量了。这两种分析都是在一个广泛的温度范围内进行的，从绝对零度以上到室温。特别感兴趣的是在特拉赫兹和远红外线区域获得的数据。虽然先前的研究结果指出了tera赫兹电导率光谱的峰值(根据研究的不同，频率在0.4到30之间)，但这篇论文并没有明确指出这一现象。作者将这样的结果归因于他们电影的高质量。
由于分析了1000 cm- 1以下频率下的薄膜的光学和介电特性，揭示了典型的导电材料的光谱特征，如金属，研究小组决定采用由Paul Drude开发的相应的电导率模型。根据这个模型，导体中的电荷被自由的载体所转移:就像理想气体分子一样，它们在晶格中的离子之间移动，与它的振动、缺陷或杂质相碰撞。在这项研究中，电荷载体也分散在单个纳米管的交叉处的能量屏障上。然而，正如分析所指出的那样，这些障碍是无关紧要的，并且允许电子在胶片上自由移动。利用德鲁德模型，可以定量地分析各载体有效参数的温度依赖性，即浓度、移动性、平均自由程和碰撞时间之间的关系，这对电影的电动力特性负责。
“我们的研究清楚地表明，tera赫兹光谱学为研究宏观尺度碳纳米管薄膜的电导率机制提供了一种有效的工具，并确定了非接触方式电荷载体的有效参数。”我们的研究结果表明，这些薄膜可以成功地作为各种微电子和纳米电子器件中的组件或组件使用，”MIPT的Terahertz光谱实验室的副主任埃琳娜·朱可娃说。
这篇报道的研究得到了俄罗斯联邦教育和科学部的支持(项目5 - 100，联邦目标项目批准号)。RFMEFI59417X0014)和俄罗斯基础研究基础(第15 -12- 30041号)。
——文章发布于2017年11月23日
