Un equipo internacional de investigadores ha examinado las propiedades ópticas y dieléctricas de películas macroscópicas delgadas basadas en nanotubos de carbono de pared simple y ha obtenido una explicación de la naturaleza metálica de su conductividad mediante espectroscopia de infrarrojos y terahercios. Los resultados de la investigación se publicaron en las revistas Carbón y Nanotecnología .

Un nanotubo de carbono de pared simple, o SWNT, se puede representar como una hoja de grafeno enrollada en un cilindro. Luz, fuerte, y resistente a altas temperaturas, Los SWNT se pueden utilizar como aditivos para materiales compuestos para hacerlos más duraderos, o como bloques de construcción para fabricar filtros de aerosol y sensores electroquímicos. Películas de nanotubos de carbono transparentes y flexibles, es decir, Estructuras 2-D formadas por la intersección de nanotubos:tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales, por ejemplo, como supercondensadores o electrodos transparentes en la electrónica flexible, dispositivos electrónicos que se pueden doblar, doblada, y retorcido sin romperse. Por tanto, el estudio de los mecanismos de transferencia de carga en tales películas es importante tanto para la investigación básica como para las aplicaciones prácticas.

Los físicos midieron las propiedades ópticas y eléctricas de las películas mediante espectroscopia infrarroja de terahercios a una variedad de temperaturas. de -268 grados Celsius a temperatura ambiente, y en una amplia gama de longitudes de onda de radiación incidente, desde ultravioleta hasta terahercios (longitudes de onda de aproximadamente 1 milímetro). El estudio de la interacción entre las películas y la radiación arrojó datos fundamentales sobre la electrodinámica de las películas.

Las películas SWNT se sintetizaron mediante el uso de deposición de vapor químico en aerosol (CVD). Brevemente, un vapor del ferroceno precursor del catalizador se suministra al reactor CVD, donde se descompone en la atmósfera de monóxido de carbono, formando partículas de catalizador de tamaño nanométrico. En su superficie, se produce la desproporción del monóxido de carbono (CO) (oxidación y reducción simultáneas) y, finalmente, Los SWNT crecen. Se filtra el flujo a la salida del rector, y los SWNT se recogen en el filtro de nitrocelulosa. Variando la duración del tiempo de recolección, los investigadores obtienen películas de diferentes espesores. En tono rimbombante, las películas SWNT se pueden transferir fácilmente a diferentes sustratos mediante deposición en seco o usarse en su forma independiente, es decir, sin sustrato. Este método permite la producción de nanotubos de alta calidad sin impurezas de carbono amorfo.

"Dado que todos los átomos de carbono de los SWNT se encuentran en su superficie, es relativamente fácil alterar las propiedades eléctricas de este material único. Podemos mejorar la conductividad de las películas incorporando dopantes en los nanotubos o recubriéndolos con moléculas aceptoras o donadoras de electrones, "dice el profesor Albert Nasibulin de Skoltech. En sus estudios, los científicos cubrieron las muestras con cloruro de oro, cuya solución actuó como agente dopante, y obtuvo películas a partir de nanotubos rellenos de yodo y cloruro de cobre colocándolos en una atmósfera de los vapores apropiados. Dicho tratamiento aumenta la densidad del portador de carga en los tubos llenos y reduce la resistencia de contacto entre ellos. permitiendo electrodos y materiales transparentes flexibles con transferencia de carga selectiva para su uso en optoelectrónica y espintrónica.

Para uso en electrónica, las películas deben ser portadoras de carga eficientes, por lo que los físicos examinaron el espectro de banda ancha de su permitividad dieléctrica. Pero la electrónica flexible también requiere películas transparentes, por lo que los investigadores midieron su conductividad óptica, así como. Ambos análisis se realizaron en un amplio rango de temperatura, desde varios grados por encima del cero absoluto hasta la temperatura ambiente. De particular interés son los datos obtenidos en las regiones de terahercios e infrarrojo lejano del espectro. Si bien los hallazgos de investigaciones anteriores apuntaban a un pico en el espectro de conductividad de terahercios (a frecuencias entre aproximadamente 0,4 y 30 THz, dependiendo del estudio), este artículo no reporta indicios claros del fenómeno. Los autores atribuyen estos resultados a la alta calidad de sus películas.

Dado que el análisis de las propiedades ópticas y dieléctricas de las películas a frecuencias inferiores a 1, 000 cm⁻¹ revelaron características espectrales que eran típicas de materiales conductores, como metales, el equipo decidió emplear el modelo de conductividad correspondiente que fue desarrollado por Paul Drude. Según ese modelo, la carga en los conductores es transferida por portadores libres. Como las moléculas de gas ideal, se mueven entre los iones en la red y se dispersan al chocar con sus vibraciones, defectos o impurezas. En este estudio, los portadores de carga también están dispersos por las barreras de energía en las intersecciones de los nanotubos individuales. Sin embargo, como sugiere el análisis, estas barreras son insignificantes y permiten que los electrones se muevan casi libremente a través de la película. Usando el modelo Drude, los autores pudieron analizar cuantitativamente las dependencias de temperatura de los parámetros efectivos de los portadores, es decir, concentración, movilidad, camino libre medio y tiempo entre colisiones, que son responsables de las propiedades electrodinámicas de las películas.

"Nuestra investigación ha demostrado claramente que la espectroscopia de terahercios proporciona una herramienta eficiente para estudiar los mecanismos de conductividad en películas de nanotubos de carbono a macroescala y determinar los parámetros efectivos de los portadores de carga sin contacto. Nuestros hallazgos muestran que tales películas pueden usarse con éxito como componentes o ensamblajes en varios dispositivos micro y nanoelectrónicos, "dice Elena Zhukova, subdirector del Laboratorio de Espectroscopia de Terahercios del MIPT.