• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
10 февраля
ФизТех
1 158

Открыты новые перспективы применения в электронике пленок из нанотрубок

4.6

Физики из МФТИ и Сколтеха нашли способ изменять электронные свойства углеродных нанотрубок и подстраивать их для применения в электронных приборах.

Углеродные нанотрубки под микроскопом / ©Getty images

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».

«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.  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 12:36
НИУ ВШЭ

В рамках международного проекта при участии Роскосмоса и Европейского космического агентства ученые впервые проанализировали данные, полученные с помощью диффузионной магнитно-резонансной томографии с трактографией головного мозга космонавтов. Исследователи увидели существенные изменения в связях между различными отделами головного мозга, причем некоторые изменения сохранялись даже спустя семь месяцев после возвращения на Землю.

Позавчера, 14:41
Ольга Иванова

Исследование ученых из Германии и США показало, что принятие определенных поз помогает справиться с чувством неуверенности.

Вчера, 21:09
Дарья Губина

Компьютерная модель древней вулканической активности спутника показала, как выброшенная вода тысячелетиями оседала инеем на поверхность, формируя многометровые слои льда под полюсами.

14 мая
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

12 мая
Мария Азарова

Авторы нового исследования проверяли, насколько выполнение второстепенного задания влияет на аргументы, которые выдвигали люди, говорящие правду или неправду.

13 мая
Алиса Гаджиева

Один из самых археологически изученных ландшафтов в мире до сих преподносит сюрпризы.

21 апреля
Александр Березин

Местные чиновники пытаются переложить ответственность за случившееся на резкое уменьшение турпотока из-за коронавируса, но цифры показывают, что ключевая проблема совсем в другом. В 2019 году на выборах в этой стране победил президент — сторонник модных зеленых идей. Вскоре там запретили продажу минеральных удобрений и двинулись к «устойчивому сельскому хозяйству». Как именно популярные «органические» идеи повлияли на еще не так давно быстро растущую местную экономику? И почему уроки шри-ланкийской трагедии могут пригодиться даже Западу и России?

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: