Los físicos de MIPT y Skoltech han encontrado una manera de modificar y ajustar deliberadamente las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono para cumplir con los requisitos de los nuevos dispositivos electrónicos. El artículo se publica en Carbon .

Los nanomateriales de carbono forman una amplia clase de compuestos que incluye grafeno, fullerenos, nanotubos, nanofibras y más. Aunque las propiedades físicas de muchos de estos materiales ya aparecen en los libros de texto, los científicos continúan creando nuevas estructuras y encontrando formas de usarlas en aplicaciones de la vida real. Las macroestructuras diseñadas como películas orientadas aleatoriamente hechas de nanotubos de carbono parecen telarañas muy delgadas con un área que alcanza varias docenas de centímetros cuadrados y un grosor de solo unos pocos nanómetros.

Las películas de nanotubos de carbono muestran una sorprendente combinación de propiedades físicas y químicas, como estabilidad mecánica, flexibilidad, capacidad de estiramiento, excelente adhesión a diversos sustratos, inercia química y propiedades eléctricas y ópticas excepcionales.

A diferencia de las películas metálicas, estas películas altamente conductoras son livianas y flexibles y, por lo tanto, se pueden usar en varios dispositivos eléctricos, como pantallas electromagnéticas, moduladores, antenas, bolómetros, etc.

El conocimiento de los principios físicos subyacentes es esencial para el uso efectivo de las propiedades eléctricas y electrodinámicas de las películas en la vida real. De particular interés son las bandas espectrales de terahercios e infrarrojo lejano con longitudes de onda de 2 mm a 500 nm, donde las películas exhiben propiedades típicas de los conductores metálicos.

Los científicos de MIPT y Skoltech estudiaron la conductividad de las películas en las bandas de terahercios e infrarrojos usando películas sintetizadas por el método de deposición en fase gaseosa. Algunas de las películas estaban hechas de nanotubos con longitudes que oscilaban entre 0,3 y 13 µm, mientras que otras se trataron con plasma de oxígeno durante 100 a 400 segundos y cambiaron sus propiedades electrodinámicas en el proceso.

En un estudio anterior, los autores demostraron que la conductividad de películas vírgenes de alta calidad se puede describir con precisión mediante el modelo de conductividad válido para metales. En estas películas, los electrones libres tienen suficiente energía para superar las barreras potenciales en las intersecciones de los nanotubos individuales y pueden moverse con bastante facilidad por toda la película, lo que da como resultado una alta conductividad.

However, shortening tubes length (down to 0.3 μm) or exposing films to plasma (for longer than 100 s) leads to a drop in conductivity at low terahertz frequencies (<0.3 THz). The team discovered that in both cases conductivity changes in much the same way and produces similar results. Exposure to plasma results in a larger amount of defects and, therefore, a larger amount of potential barriers for itinerant electrons. For shorter nanotubes, the number of barriers per unit area increases, too. The barriers strongly affect conductivity of both nanotubes and films at direct current (DC) and fairly low frequencies, because at low temperatures electrons lack kinetic energy to overcome potential barriers. The authors showed that at high enough frequencies electrons move freely as if the barriers were not there. At low frequencies and in the DC case, films made up of short or plasma-treated tubes exhibit a higher temperature coefficient of resistance (TCR) which shows how resistance changes with temperature.

For plasma exposure of over 100 seconds or nanotube lengths below 0.3 μm, TCR reaches saturation. The effect can be considered as a precursor of TCR reduction in the films that are exposed to plasma for a very long time when separate tubes become severely damaged and lose their peculiar electric properties.

MIPT and Skoltech researchers plan to continue studying modified films, including those stretched in one or more directions. Boris Gorshunov, a co-author of the paper and head of the MIPT Laboratory of Terahertz Spectroscopy, comments:"In contrast to nanotubes that have long been studied in great detail, research on macro objects, such as nanotube films, started only recently. Nanotube films are much lighter and more stable chemically and mechanically than metallic films and, therefore, are more appealing for electronics applications. Since we know the fundamental physics behind the films' electrical properties, we can tune them for specific real-life applications. Research in the terahertz band which will soon become ubiquitous in telecommunications is of particular relevance." + Explora más

Physicists explain metallic conductivity of thin carbon nanotube films