来自MIPT和Skoltech的物理学家已经找到了一种方法来修改和有目的地调整碳纳米管的电子性能，以满足新型电子器件的要求。该研究成果发表在Carbon上。

图 1. 扫描电子显微镜下的碳纳米管薄膜。图片来源：斯科尔科沃科学技术学院

碳纳米材料形成了广泛的化合物类别，包括石墨烯、富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维等。尽管其中许多材料的物理特性已经出现在教科书中，但科学家们仍在继续创造新的结构并寻找在实际应用中使用它们的方法。宏观结构设计成由碳纳米管制成的随机定向薄膜，看起来像非常薄的蜘蛛网，面积达到几十平方厘米，厚度只有几个纳米。

碳纳米管薄膜表现出惊人的物理和化学性能的结合，如机械稳定性、柔韧性、拉伸性、对各种基材的优异附着力、化学惰性以及优异的电学和光学性能。

与金属薄膜不同，这些高导电薄膜重量轻且柔韧，因此可用于各种电子设备，例如电磁屏蔽、调制器、天线、辐射热计等。

基本物理原理的知识对于在现实生活中有效地利用薄膜的电学和电动力学特性至关重要。特别感兴趣的是波长为 2 mm 至 500 nm 的太赫兹和远红外光谱带，其中薄膜表现出金属导体的典型特性。

图 2. 氧等离子体处理产生的缺陷会改变碳纳米管的电气特性（左）。上框显示了处理（红色曲线）和原始（蓝色曲线）薄膜（右）的表面电阻与频率的关系。下面的方框显示了相同薄膜的电阻温度系数 (TCR) 与温度的关系。图片来源：斯科尔科沃科学技术学院

MIPT和Skoltech的科学家们使用气相沉积法合成的薄膜，研究了太赫兹和红外波段的薄膜电导率。用0.3~13μm的碳纳米管制成的薄膜，用氧等离子体处理100~400秒，改变了薄膜的电动特性。

在早期的研究中，作者证明了高质量原始薄膜的电导率可以用对金属有效的电导率模型准确地描述。在这些薄膜中，自由电子有足够的能量来克服单个碳纳米管交叉处的势垒，并且可以很容易地在整个薄膜上移动，从而产生高导电性。

然而，缩短管长度（低至 0.3 μm）或将薄膜暴露于等离子体（超过 100 秒）会导致低太赫兹频率（< 0.3 THz）下的电导率下降。研究小组发现，在这两种情况下，电导率的变化方式几乎相同，并产生了相似的结果。暴露于等离子体会导致大量的缺陷，因此，流动电子会产生大量的势垒。对于较短的纳米管，每单位面积的势垒数量也会增加。势垒在直流 (DC) 和相当低的频率下强烈影响纳米管和薄膜的导电性，因为在低温下，电子缺乏动能来克服势垒。作者表明，在足够高的频率下，电子可以自由移动，就好像障碍不存在一样。在低频和直流情况下，由短管或等离子体处理管组成的薄膜表现出较高的电阻温度系数(TCR)，显示了电阻随温度的变化。

当等离子体暴露超过100秒或碳纳米管长度低于0.3 μm时，TCR达到饱和。当单独的管严重损坏并失去其独特的电性能时，这种效应可以被认为是薄膜长时间暴露于等离子体时 TCR 降低的前兆。

MIPT 和 Skoltech 的研究人员计划继续研究改性薄膜，包括向一个或多个方向拉伸的薄膜。该论文的合著者兼 MIPT 太赫兹光谱实验室负责人 Boris Gorshunov 评论说：“与长期以来对碳纳米管进行的详细研究相比，对碳纳米管薄膜等宏观物体的研究最近才开始。碳纳米管薄膜在化学和机械方面比金属薄膜更轻、更稳定，因此对电子应用更具吸引力。由于我们了解薄膜电气特性背后的基本物理特性，因此我们可以针对特定的实际应用对其进行调整。太赫兹频段的研究将很快在电信领域变得无处不在，这一点尤为重要。”