Прозрачные электроды — ключевые элементы солнечных батарей, сенсорных экранов и ряда других устройств. Раньше их делали из хрупкого и неэкологичного материала — оксида индия-олова.

Сравнение эффектов разных добавок, которые используются для улучшения электропроводности, прозрачности и стабильности плёнки из углеродных нанотрубок. Воздействие диоксида азота (NO₂) при 300°C даёт возможность сочетать все три параметра (пересечение трёх кругов). Рисунок из статьи: Khabushev E. M., Krasnikov D. V., Sainio J. et al. High-temperature adsorption of nitrogen dioxide for stable, efficient, and scalable doping of carbon nanotubes//Carbon, Volume 224, 2024, 119082.

Легирование нанотрубок имеет принципиальное значение. Доступные сегодня технологии не позволяют изготовить «чистые» углеродные нанотрубки с необходимыми характеристиками. Введение других веществ даёт возможность отрегулировать свойства. Но идеальные легирующие добавки ещё не найдены, и их выбор диктуется компромиссом между повышением проводимости, прозрачностью плёнки и устойчивостью эффекта. Пример распространённой примеси для легирования нанотрубок — тетрахлороаурат водорода. Он обеспечивает лучшую на сегодняшний день электропроводность плёнок из углеродных нанотрубок и неплохую прозрачность, но полученные характеристики сохраняются сравнительно недолго. С помощью бромида меди и других галогенидов металлов добиваются хорошего сочетания устойчивости и проводимости, но ценой меньшей прозрачности.

Исследователи из Сколтеха предложили простой и безотходный метод легирования плёнок из углеродных нанотрубок, в результате которого повышается их прозрачность, электропроводность и, что важно, этот эффект сохраняется долгое время. Легирующей добавкой выступает газообразный диоксид азота (NO₂), который адсорбируется на поверхности нанотрубок и модифицирует её. Этот газ ещё называют «лисьим хвостом» из-за оранжевого цвета. Диоксид азота пытались и раньше использовать в качестве добавки, улучшающей свойства плёнок из углеродных нанотрубок, однако в его присутствии получалась нестабильная и нежелательная их модификация. Но, как оказалось, причина неудач — в температуре обработки материала.

Это обнаружили сотрудники Сколтеха. В результате проведённых экспериментов они открыли, что природа адсорбционных слоёв диоксида азота на углеродных нанотрубках зависит от температуры. Это связано с изменением содержания азота на поверхности нанотрубок. Исследователи нашли диапазон температур, в котором образуются очень стабильные модификации плёнок из углеродных нанотрубок. Оптимальной оказалась температура 300°C — она соответствует границе, при которой происходит образование долгоживущих поверхностных слоёв без заметного окисления углеродных нанотрубок.

Эффект от предлагаемой модификации нанотрубок после почти годичного хранения в условиях окружающей среды падает менее чем на 50% (что считается незначительным) и далее стабилизируется. А у нынешнего реактива-чемпиона — тетрахлороаурата — эффект снижается в три раза.

Поскольку диоксид азота — газ, процесс легирования происходит быстро и его несложно масштабировать. Кроме того, он безотходный. Диоксид азота легко интегрировать в существующие технологические цепочки синтеза, а его излишки удаляются из смеси охлаждением до 20°C, при которых он сжижается.

Научная группа ожидает, что прозрачные электроды из плёнок углеродных нанотрубок, обработанных диоксидом азота, скоро найдут применение в фотовольтаике, сенсорных дисплеях и других интерактивных поверхностях. Такие электроды биосовместимы, поэтому их можно задействовать и в имплантируемых устройствах.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Carbon».

№7, 2024