Исследования оптически прозрачных тонких пленок на основе одностенных углеродных нанотрубок

Внедрение: 2018 г.

В настоящее время сильное развитие получило направление гибкой электроники. Ключевыми материалами для гибкой электроники являются различные аллотропные формы углерода. Касательно гибких термоэлектрических преобразователей, большую перспективу представляют полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ). В работе красноярских учёных [1] впервые представлены исследования термоэлектрических свойств от комнатной температуры до 200ºC оптически прозрачных тонких пленок на основе промышленно доступных ОУНТ.

В работе использовался коммерчески доступный аэрогель ОУНТ (TUBALL, OCSiAl, Новосибирск), на основе которого приготавливались водные дисперсии. Полученные водные дисперсии с 0.1 % массовой концентрацией ОУНТ использовались для изготовления тонких ОУНТ-пленок. Тонкие пленки из ОУНТ осаждались с помощью спрей-метода на стеклянные подложки. Контактные серебряные площадки были изготовлены с помощью вакуумной установки k575x Emitech. Морфология поверхности тонких пленок определялась при помощи атомно-силового микроскопа DPN 5000 производства Nanoink. Для оценки толщины тонких ОУНТ-пленок использовался просвечивающий электронный микроскоп Hitachi ТМ7700 в режиме съемки поперечного сечения. Оптические свойства тонких ОУНТ-пленок исследовались при помощи спектрометра Shimadzu UV-3600 и спектрометра комбинационного рассеяния света Horiba Jobin Yvon T64000.

Измерения термоэлектрических свойств (коэффициента Зеебека и электрического сопротивления) тонких пленок от комнатной температуры до 200 ºC были проведены на установке собственной разработки красноярских учёных. Разработанная установка состоит из термостата, прецизионного источника тока Keithley 2400, специально разработанного держателя для образца (задает градиентный нагрев образца), двух термопар K типа, а также 24‑битного АЦП LTR114 на базе крейта LTR‑EU‑2.

Для измерения электрического сопротивления использовалась двухзондовая схема. Измеряемый образец тонкой ОУНТ-пленки располагался на круглом сплошном медном столике. Медный столик крепился в термостат Specac, через который происходил непрерывный нагрев. Для контроля температуры использовались две рядом находящиеся термопары, расположенные на поверхности образца. Для измерения сопротивления от температуры через контактные площадки образца пропускался прецизионный стабилизированный ток при помощи источника тока Keithley 2400. С этих же контактных площадок измерялось напряжение при помощи 24‑битного АЦП LTR114 на базе крейта LTR‑EU‑2. Также этот АЦП производил одновременно измерения с двух термопар. При измерении коэффициента Зеебека использовался специально разработанный держатель (рисунок 1, a, b). При возникновении градиента температур при непрерывном нагреве держателя возникало электрическое напряжение на контактных площадках образца.

Рисунок 1. Изображение держателя с образцов (a) и общий вид подготовленного образца для измерения коэффициента Зеебека (b).

Для нахождения оптимального соотношения между оптическими и термоэлектрическими свойствами нами были изготовлены образцы тонких пленок из ОУНТ с различной толщиной. Толщина тонких пленок была ∼ 10, ∼ 15, ∼ 30, ∼ 45 и ∼ 80 nm.

Для исследования морфологии поверхности, а также для оценки длины ОУНТ в тонких пленках мы провели измерения поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). На рисунке 2 представлены изображения поверхности тонкой ОУНТ-пленки, а также отдельных ОУНТ, полученных при помощи АСМ.

Рисунок 2. Общее АСМ-изображение 10 nm тонкой ОУНТ-пленки (a), трехмерная поверхность 10 nm тонкой ОУНТ-пленки, полученная при помощи АСМ (b), трехмерная поверхность отдельных коротких ОУНТ- (c) и АСМ-изображение отдельных длинных ОУНТ (d).

Как видно из рисунка 2,a, тонкие ОУНТ-пленки имеют достаточно развитую поверхность, при этом образуются типичные пучки ОУНТ как показано на рисунке 2,b. Из рисунка 2, c, d видно, что существуют отдельные ОУНТ с различной длиной. Некоторые ОУНТ имеют длину меньше 1 μm (рисунок 2,c). С другой стороны, как показано на рисунке 2,d, видны отдельные ОУНТ с сильно искривленной формой, где полная длина более 10 μm.  

На рисунке 3 представлена типичная зависимость поверхностного сопротивления тонкой ОУНТ-пленки от температуры.

Рисунок 3. Зависимость поверхностного сопротивления от температуры для 15 nm тонкой ОУНТ-пленки.

Все образцы тонких ОУНТ-пленок имели слабую зависимость коэффициента Зеебека от температуры, как показано на рисунке 4. 

Рисунок 4. Зависимость коэффициента Зеебека от температуры для 15 nm тонкой ОУНТ-пленки (слева); зависимость фактора мощности от температуры для 15 nm тонкой ОУНТ-пленки (справа).

Данные исследования тонких ОУНТ-пленок могут быть использованы для разработки оптически прозрачных тонкопленочных термоэлектрических преобразователей на основе коммерчески доступных ОУНТ.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17‑72‑10079).

Источник:
Тамбасов И.А., Воронин А.С., Евсевская Н.П., Волочаев М.Н., Фадеев Ю.В., Крылов А.С., Александровский А.С., Лукьяненко А.В., Абелян С.Р., Тамбасова Е.В. Структурные и термоэлектрические свойства оптически прозрачных тонких пленок на основе одностенных углеродных нанотрубок // Физика твердого тела. – 2018. – Т. 60, вып. 12. – С. 2456‑2462.

Разработчик: Тамбасов И.А., Воронин А.С., Евсевская Н.П., Волочаев М.Н., Фадеев Ю.В., Крылов А.С., Александровский А.С., Лукьяненко А.В. и др