Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами детально изучили влияние кислородных дефектов на углеродные нанотрубки. Результаты работы показали, что эти дефекты можно использовать для контролируемой настройки свойств материала. Это открывает возможности для создания терагерцовых компонент с предсказуемыми характеристиками.
Статья опубликована в Journal of Physics and Chemistry of Solids. Работа поддержана Российским научным фондом (проект № 25-79-30006).
Углеродные нанотрубки — это полые цилиндрические наноструктуры, состоящие из атомов углерода. Они являются перспективным материалом для терагерцовой оптоэлектроники. Однако при их синтезе могут возникать дефекты, влияющие на характеристики материала. Чтобы оптимизировать производительность устройств на основе углеродных нанотрубок, необходима точная характеризация их дефектов. В своей новой работе физтехи подробно исследовали влияние кислородных дефектов на свойства одностенных углеродных нанотрубок.
Физики синтезировали одностенные углеродные нанотрубки диаметром около 2 нм. Одну исходную пленку из нанотрубок они разделили на пять частей: одну оставили нетронутой, а остальные обрабатывали кислородной плазмой в течение 10, 30, 60 и 90 секунд для увеличения концентрации дефектов.
Таким образом исследователи получили серию образцов, в которых меняется только число дефектов, а все остальные параметры одинаковы. Далее они измерили число полученных дефектов, после чего определили влияние дефектов на электрическую проводимость в трубках. Так они получили полную картину влияния дефектов на характеристики углеродных нанотрубок.
«Мы отследили эволюцию свойств на одном и том же материале с постепенным увеличением концентрации дефектов. Мы использовали комбинацию методов терагерцовой спектроскопии вместе с привычными техниками рамановской спектроскопии и спектроскопии поглощения в видимом диапазоне. Это позволило связать изменения в химической структуре (дефекты, функциональные группы) с изменениями в электрофизических свойствах. Наша группа была одной из первых, кто провел анализ измерений поглощения терагерцового излучения большой амплитуды углеродными нанотрубками, представив физическую интерпретацию результатов»,— поделилась Мария Бурданова, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Результаты показали, что дефекты укорачивают пути движения электронов, что приводит к сдвигу плазмонного резонанса к более высоким частотам. Это позволит целенаправленно настраивать рабочий диапазон устройств, что может быть полезно для поляризаторов или модуляторов. Фотопроводимость трубок (изменение проводимости под воздействием света) вдвое падает уже после 10 секунд воздействия плазмой. Этот эффект возникает из-за того, что на дефектах происходит рассеяние носителей (электронов и дырок). Это свойство полезно в разработках высокочувствительных сенсоров.
Также оказалось, что время релаксации носителей заряда растет с увеличением числа дефектов, что может использоваться в устройствах, требующих сохранения возбужденного состояния, например в фотодетекторах.
«Из интересных наблюдений мы бы отметили следующее. Обнаружена сложная зависимость времени рассеяния от поля. Такое необычное поведение указывает на конкуренцию механизмов рассеяния в сильных полях. Кроме того, мы наблюдали переход знака действительной части фотопроводимости в спектре, что связано со сложной динамикой горячих носителей и изменением их распределения по зонам»,— поделился Максим Пауков, инженер лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
На основе полученных данных о свойствах дефектных нанотрубок физики смоделировали терагерцовый поляризатор — устройство, которое пропускает электромагнитные волны только с определенным направлением поляризации.
«Наша работа развеивает упрощенное представление о том, что дефекты — это всегда плохо для углеродных нанотрубок. Дефекты открывают новые возможности: дефекты ухудшают проводимость, но при этом являются единственным способом создать новые функциональные группы (C = O), что критически важно для химической сенсорики и создания композитных материалов.
С помощью дефектов можно целенаправленно настраивать плазмонный резонанс в ТГц-диапазоне. Моделирование показало, что для некоторых применений, например для поляризаторов, в определенных конфигурациях дефектные образцы давали более равномерное подавление сигнала в широком диапазоне»,— добавила Мария Бурданова.
Таким образом физики показали, что кислородные дефекты, вводимые плазмой, позволяют целенаправленно управлять проводимостью одностенных углеродных нанотрубок в терагерцовой области. Это позволит создавать управляемые терагерцовые поляризаторы и модуляторы. Полученные данные дают практические рекомендации по проектированию терагерцовых поляризаторов и других устройств с контролируемой концентрацией дефектов.
Научная статья: Maksim I. Paukov, Shuang Sun, Dmitry V. Krasnikov, Arina V. Radivon, Emil O. Chiglintsev, Stanislav Colar, Kirill A. Brekhov, Gennady A. Komandin, Andrey A. Vyshnevyy, Kirill I. Zaytsev, Sergei V. Garnov, Nadzeya I. Valynets, Albert G. Nasibulin, Aleksey V. Arsenin, Valentyn Volkov, Alexander I. Chernov, Yan Zhang, Maria G. Burdanova. Influence of oxygen-defects on intraband terahertz conductivity of carbon nanotubes. Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 212, 2026. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2025.113509
В работе кроме сотрудников Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Сколтеха, ИОФ РАН, РКЦ, МИРЭА, ИФТТ РАН, Столичного педагогического университета (Китай), Ереванского государственного университета (Армения), XPANCEO (ОАЭ), Института ядерных проблем БГУ (Белоруссия).
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году, объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
