Металл из углерода
2 мин чтения
Плёнка из углеродных нанотрубок. Иллюстрация пресс-службы МФТИ

Плёнка из углеродных нанотрубок. Иллюстрация пресс-службы МФТИ

Физики объяснили высокую электропроводность углеродных нанотрубок

Учёные МФТИ вместе с иностранными коллегами объяснили металлический характер их электропроводимости. А перед этим они исследовали свойства углеродных нанотрубок  с помощью терагерцовой и инфракрасной спектроскопии в широком диапазоне температур ― от -268ºС до комнатной - и в не менее широком диапазоне длин волн падающего электромагнитного излучения от ультрафиолетового до терагерцового (длина волны порядка 0,1 мм).

Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой свёрнутый в цилиндр лист графена. Лёгкие, прочные и устойчивые к действию высоких температур нанотрубки можно использовать как увеличивающую прочность материала добавку в композиты, а также в качестве основы для аэрозольных фильтров и электрохимических сенсоров. Кроме того, получаемые из них гибкие прозрачные пленки (двумерные сетки из пересекающихся  нанотрубок) могут служить суперконденсаторами  и прозрачными электродами  в так называемой «гибкой электронике» — электронных устройствах, которые можно сгибать, сворачивать и скручивать без страха испортить.

Авторы исследования сами синтезировали необходимые им для работы углеродные нанотрубки методом осаждения из аэрозоля. В реакторе, в атмосфере монооксида углерода (CO – угарного газа), происходит распад паров соединения железа — ферроцена — предшественника катализатора. На поверхности образовавшихся металлических частиц СО распадается, и происходит рост  углеродных нанотрубок. Такой метод позволяет получить трубки высокого качества без примесей аморфного углерода. На выходе из реактора нанотрубки осаждаются на фильтр в виде плёночки, которую можно легко перенести на любую подложку или подвесить в свободном состоянии.

У получившихся плёнок учёные измерили широкодиапазонные спектры оптической проводимости (плёнки для «гибкой электроники» должны быть прозрачными) и диэлектрической проницаемости (хорошо передающими заряд) в большом диапазоне температур - от комнатных до гелиевых. Самыми интересными оказались данные из терагерцовой и дальней инфракрасной частей спектра.

Хотя все прежние исследования сообщали о ярко выраженном пике в терагерцовом спектре проводимости (в области от ~0.4 ТГц до ~30 ТГц у разных авторских коллективов), в этом исследовании чётких признаков такого пика не наблюдалось. Авторы связали это с высоким качеством полученных ими плёнок.

Поскольку при исследовании методом спектроскопии с частотой излучения ниже 1000 см-1 оптические и диэлектрические характеристики пленок показали, что процесс переноса зарядов в них происходит, как у металлов, авторы использовали модель проводимости, разработанную Паулем Друде. Согласно этой модели, перенос зарядов в проводниках осуществляется свободными носителями, которые, подобно молекулам идеального газа, движутся между ионами решётки, рассеиваясь при её колебаниях, сталкиваясь с дефектами и примесями.

В этом случае помимо дефектов нанотрубки вклад вносили энергетические барьеры в местах пересечений нанотрубок друг с другом. Однако, как показал анализ, эти барьеры невелики, и позволяют электронам путешествовать практически по всей плёнке. На основе модели Друде авторам впервые удалось количественно определить температурные зависимости эффективных параметров носителей тока (концентрацию, подвижность, время и длину свободного пробега), определяющих электродинамические характеристики плёнок.

Исследователи получили плёнки как из чистых углеродных трубок, так и содержащих йод или хлорид меди. Чтобы заменить часть атомов углерода в стенке трубки примесями, нанотрубки вносили в атмосферу паров соответствующих веществ. Плотность носителей зарядов в таких трубках выше, что позволяет получать гибкие прозрачные электроды и селективные по переносу заряда материалы для оптоэлектроники и спинтроники (раздела квантовой электроники, занимающегося изучением переноса энергии и информации с помощью тока спинов). Внося примеси, можно управлять ещё и химической активностью нанотрубок, которые в чистом виде довольно инертны. Повышенная химическая активность полезна для хранения и преобразования энергии, и многого другого.

Работа была поддержана Министерством образования и науки РФ (программа 5 - топ100), грантом РФФИ №15-12-30041 и грантом ФЦП ИР RFMEFI59417X0014.

Результаты опубликованы в журнале Carbon международным коллективом учёных из МФТИ, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А.М. Прохорова, Сколковского института науки и технологий, а также института Аалто, Финляндия.

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос Пойдём правильным путём Далее в рубрике Пойдём правильным путёмНавигация и речь – близнецы-братья! Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Загрузка...
Не пропустите лучшие материалы!
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!