Транспортные свойства ориентированной и изотропной бумаги из одностенных углеродных нанотрубок
М. С. Галков,
Н. П. Степина,
М. P. Предтеченский,
А. Е. Безродный,
В. В. Кириенко,
А. В. Двуреченский https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-104-111
Аннотация
Бумага (buckypaper – BP) из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) является перспективным материалом для использования в качестве компонентов микро- и наноэлектроники, в которых требуется высокая удельная электро- и теплопроводность, а также высокая удельная прочность. Изотропные образцы BP из ОУНТ сформированы фильтрацией дисперсии из ОУНТ для удаления растворителя. Для увеличения проводимости ВР проводилась ориентация ОУНТ вдоль выделенного направления, а также дополнительное легирование ОУНТ в парах йода. Ориентация ОУНТ осуществлялась с помощью экструзии через щель раствора из ОУНТ. Проведено сравнение температурных зависимостей электропроводности изотропных, ориентированных и легированных образцов ВР для выявления механизма проводимости и роли ориентации ОУНТ. Показано, что ориентирование пучков ОУНТ вдоль выделенного направления позволяет увеличить проводимость ВР с ~103 См/cм до ~104 См/cм, а легирование ориентированных образцов в парах йода увеличивает электропроводность еще на порядок. Механизм низкотемпературной проводимости по ВР описан флуктуационно-индуцированным туннелированием носителей заряда между пучками ОУНТ.
Ключевые слова
При поддержке: Работа выполнена при поддержке Государственной программы России (грант № 0306-2019-2019).
Об авторах
М. С. Галков
OCSiAl Group
Соединённые Штаты Америки
Соединённые Штаты Америки
1804 Embarcadero Rd., Suite 202, Palo Alto, California, 94303, USA
Галков Михаил Сергеевич — научный сотрудник
Н. П. Степина
Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН
Россия
Россия
просп. Акад. Лаврентьева, д. 13, Новосибирск, 630090, Россия
Степина Наталья Петровна — доктор физ.-мат. наук, доцент, старший научный сотрудник
М. P. Предтеченский
OCSiAl Group
Соединённые Штаты Америки
Соединённые Штаты Америки
1804 Embarcadero Rd., Suite 202, Palo Alto, California, 94303, USA
Предтеченский Михаил Рудольфович
А. Е. Безродный
OCSiAl Group
Соединённые Штаты Америки
Соединённые Штаты Америки
1804 Embarcadero Rd., Suite 202, Palo Alto, California, 94303, USA
Безродный Александр Евгеньевич
В. В. Кириенко
Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН
Россия
Россия
просп. Акад. Лаврентьева, д. 13, Новосибирск, 630090, Россия
Кириенко Виктор Владимирович
А. В. Двуреченский
Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН
Россия
Россия
просп. Акад. Лаврентьева, д. 13, Новосибирск, 630090, Россия
Двуреченский Анатолий Васильевич —
Список литературы
1. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56—58. DOI: 10.1038/354056a0
2. Yosida Y., Oguro I. Variable range hopping conduction in bulk samples composed of single-walled carbon nanotubes // J. Appl. Phys. 1999. V. 86. P. 999—1003. DOI: 10.1021/la401264r
3. Takano T., Takenobu T., Iwasa Y. Enhancement of carrier hopping by doping in single walled carbon nanotube films // J. Phys. Soc. Jpn. 2008. V. 77. P. 124709—124713. DOI: 10.1143/JPSJ.77.124709
4. Skakalova V., Kaiser A. B., Osvath Z., Vertesy G., Biro L. P., Roth S. Ion irradiation effects on conduction in single-wall carbon nanotube networks // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2008. V. 90. P. 597—602. DOI: 10.1007/s00339-007-4383-0
5. Benoit J. M., Corraze B., Chauvet O. Localization, coulomb interactions and electrical heating in single-wall carbon nanotubes/polymer composites // Phys. Rev. B. 2002. V. 65, Iss. 24. P. 241405—241408. DOI: 10.1103/PhysRevB.65.241405
6. McIntosh G. C., Kim G. T., Park J. G., Krstic V., Burghard M., Jhang S. H., Lee S. W., Roth S., Park Y. W. Orientation dependence of magneto-resistance behaviour in a carbon nanotube rope // Thin Solid Films. 2002. V. 417. P. 67—71. DOI: 10.1016/S0040-6090(02)00592-8
7. Hone J., Whitney M., Piskoti C., Zettl A. Thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. 2514—2516. DOI: 10.1103/PhysRevB.59.R2514
8. Zhang J., Jiang D., Peng H.-X., Qin F. Enhanced mechanical and electrical properties of carbon nanotube buckypaper by in situ cross-linking // Carbon. 2013. V. 63. P. 125—132. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.06.047
9. Chu H., Zhang Z., Liu Y., Leng J. Self-heating fiber reinforced polymer composite using meso/macropore carbon nanotube paper and its application in deicing // Carbon. 2014. V. 66. P. 154—163. DOI: 10.1016/j.carbon.2013.08.053
10. Gross A. J., Holzingera M., Cosnier S. Buckypaper bioelectrodes: Emerging materials for implantable and wearable biofuel cells // Energy Environ. Sci. 2018. V. 11. P. 1670—1687. DOI: 10.1039/C8EE00330K
11. Chen I.-W. P., Liang R., Zhao H., Wang B., Zhang C. Highly conductive carbon nanotube buckypapers with improved doping stability via conjugational cross-linking // Nanotechnology. 2011. V. 22. P. 485708—485714. DOI: 10.1088/0957-4484/22/48/485708
12. Wenjun Ma, Li Song, Rong Yang, Taihua Zhang, Yuanchun Zhao, Lianfeng Sun, Yan Ren. Dongfang Liu, Lifeng Liu, Jun Shen, Zhengxing Zhang, Yanjuan Xiang, Weiya Zhou, SiShen Xie. Directly synthesized strong, highlyconducting, transparent single-walled carbon nanotube films // Nano Lett. 2007. V. 7, Iss. 8. P. 2307—2311. DOI: 10.1021/nl070915c
13. Wang D., Song P. C., Liu C. H., Wu W., Fan S. S. Highly oriented carbon nanotube papers made of aligned carbon nanotubes // Nanotechnology. 2008. V. 19. P. 075609—075614. DOI: 10.1088/0957-4484/19/7/075609
14. Zhao W., Tan H. T., Tan L. P., Fan S., Hng H. H., Boey Y. C. F., Beloborodov I., Yan Q. N-type carbon nanotubes/silver telluride nanohybridbuckypaper with a high-thermoelectric figure of merit // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. P. 4940—4946. DOI: 10.1021/am4059167
15. Jia X., Chen Z., Suwarnasarn A., Rice L., Wang X., Sohn H., Zhang Q., Wu B. M., Wei F., Lu Y. High-performance flexible lithium-ion electrodes based on robust network architecture // Energy Environ. Sci. 2012. Iss. 5. P. 6845—6849. DOI: 10.1039/C2EE03110H
16. Baughman R. H., Cui C., Zakhidov A. A., Iqbal Z., Barisci J. N., Spinks G. M., Wallace G. G., Mazzoldi A., De Rossi D., Rinzler A. G., Jaschinski O., Roth S., Kertesz M. Carbon nanotube actuators // Science. 1999. V. 284, Iss. 5418. P. 1340—1344. DOI: 10.1126/science.284.5418.1340
17. Chen I-W. P., Liang Z., Wang B., Zhang C. Charge-induced asymmetrical displacement of an aligned carbon nanotube buckypaper actuator // Carbon. 2010. V. 48, Iss. 4. P. 1064—1069. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.026
18. Rein M. D., Breuer O., Wagner H. D. Sensors and sensitivity: Carbon nanotube buckypaper films as strain sensing devices // Composites Sci. Technol. 2011. V. 71, Iss. 3. P. 373—381. DOI: 10.1016/j.compscitech.2010.12.008
19. Zhang D., Ryu K., Liu X., Polikarpov E., Ly J., Tompson M. E., Zhou C. Transparent, conductive, and flexible carbon nanotube films and their application in organic light-emitting diodes // Nano Lett. 2006. V. 6, Iss. 9. P. 1880—1886. DOI: 10.1021/nl0608543
20. Park J. G., Louis J., Cheng Q., Bao J., Smithyman J., Liang R., Wang B., Zhang C., Brooks J. S., Kramer L., Fanchasis P., Dorough D. Electromagnetic interference shielding properties of carbon nanotube buckypaper composites // Nanotechnology. 2009. V. 20, N 41. P. 415702—415708. DOI: 10.1088/0957-4484/20/41/415702
21. Han J.-H., Zhang H., Chen M.-J., Wang D., Liu Q., Wu Q.-L., Zhang Z. The combination of carbon nanotube buckypaper and insulating adhesive for lightning strike protection of the carbon fiber/epoxy laminates // Carbon. 2015. V. 94. P. 101—113. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.06.026
22. Zhang M., Fang S., Zakhidov A. A., Lee S. B., Aliev A. E., Williams C. D., Atkinson K. R., Baughman R. H. Strong, transparent, multifunctional, carbon nanotube sheets // Science. 2005. V. 309, Iss. 5738. P. 1215—1219. DOI: 10.1126/science.1115311
23. Davies R. J., Riekel C., Koziol K. K., Vilatela J. J., Windle A. H. Structural studies on carbon nanotube fibres by synchrotron radiation microdiffraction and microfluorescence // J. Appl. Cryst. 2009. V. 42. P. 1122—1128. DOI: 10.1107/S0021889809036280
24. Fischer J. E., Dai H., Thess A., Lee R., Hanjani N. M., Dehaas D. L., Smalley R. E. Metallic resistivity in crystalline ropes of single-wall carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1997. V. 55, Iss. 8. P. 4921—4924. DOI: 10.1103/PhysRevB.55.R4921
25. Lee R. S., Kim H. J., Fischer J. E., Lefebvre J., Radosavljević M., Hone J., Johnson A. T. Transport properties of a potassium-doped single-wall carbon nanotube rope // Phys. Rev. B. 2000. V. 61, Iss. 7. P. 4526—4529. DOI: 10.1103/PhysRevB.61.4526
26. Behabtu N., Young C. C., Tsentalovich D. E., Kleinerman O., Wang X., Ma A. W. K., Bengio E. A., ter Waarbeek R. F., de Jong J. J., Hoogerwerf R. E., Fairchild S. B., Ferguson J. B., Maruyama B., Kono J., Talmon Y., Cohen Y., Otto M. J., Pasquali M. Strong, light, multifunctional fibers of carbon nanotubes with ultrahigh conductivity // Science. 2013. V. 339, Iss. 6116. P. 182—186. DOI: 10.1126/science.1228061
27. Ocsial. URL: https://ocsial.com/ru/tubbox/
28. Lee J., Lee D.-M., Kim Y.-K., Jeong H. S., Kim S. M. Significantly increased solubility of carbon nanotubes in superacid by oxidation and their assembly into high-performance fibers // Small. 2017. V. 13, Iss. 38. P. 1701131—1701138. DOI: 10.1002/smll.201701131
29. Bucossi A. R., Cress C. D., Schauerman C. M., Rossi J. E., Puchades I., Landi B. J. Enhanced electrical conductivity in extruded single-wall carbon nanotube wires from modified coagulation parameters and mechanical processing // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. V. 7, Iss. 49. P. 27299—27305. DOI: 10.1021/acsami.5b08668
30. Ramesh S., Ericson L. M., Davis V. A., Saini R. K., Kittrell C., Pasquali M., Billups W. E., Adams W. W., Hauge R. H., Smalley R. E. Dissolution of pristine single walled carbon nanotubes in superacids by direct protonation // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108, Iss. 26. P. 8794—8798. DOI: 10.1021/jp036971t
31. Zhou W., Vavro J., Guthy C., Winey K. I., Fischer J. E., Ericson L. M., Ramesh S., Saini R., Davis V. A., Kittrell C., Pasquali M., Hauge R. H., Smalley R. E. Single wall carbon nanotube fibers extruded from super-acid suspensions: Preferred orientation, electrical, and thermal transport // J. Appl. Phys. 2004. V. 95, Iss. 2. P. 649—655. DOI: 10.1063/1.1627457
32. Harutyunyan A. R., Chen G., Paronyan T. M., Pigos E. M., Kuznetsov O. A., Hewaparakrama K., Kim S. M., Zakharov D., Stach E. A., Sumanasekera G. U. Preferential growth of single-walled carbon nanotubes with metallic conductivity // Science. 2009. V. 326, Iss. 5949. P. 116—120. DOI: 10.1126/science.1177599
33. Zhang X., Li Q., Tu Y., Li Y., Coulter J. Y., Zheng L., Zhao Y., Jia Q., Peterson D. E., Zhu Y. Strong carbon-nanotube fibers spun from long carbon-nanotube arrays // Small. 2007. V. 3, Iss. 2. P. 244—248. DOI: 10.1002/smll.200600368
34. Kaiser A. B., Düsberg G., Roth S. Heterogeneous model for conduction in carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1998. V. 57, Iss. 3. P. 1418—1421. DOI: 10.1103/PhysRevB.57.1418
35. Steinmetz J., Glerup M., Paillet M., Bernier P., Holzinger M. Production of pure nanotube fibers using a modified wet-spinning method // Carbon. 2005. V. 43, Iss. 11. P. 2397—2400. DOI: 10.1016/j.carbon.2005.03.047
36. Skákalová V., Kaiser A. B., Woo Y.-S., Roth S. Electronic transport in carbon nanotubes: From individual nanotubes to thin and thick networks // Phys. Rev. B. 2006. V. 74, Iss. 8. P. 085403—085412. DOI: 10.1103/PhysRevB.74.085403
37. Cambedouzou J., Sauvajol J.-L., Rahmani A., Flahaut E., Peigney A., Laurent C. Raman spectroscopy of iodine-doped double-walled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 2004. V. 69, Iss. 23. P. 235422—235427. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.235422
38. Tsebro V. I., Tonkikh A. A., Rybkovskiy D. V., Obraztsova E. A., Kauppinen E. I., Obraztsova E. D. Phonon contribution to electrical resistance of acceptor-doped single-wall carbon nanotubes assembled into transparent films // Phys. Rev. B. 2016. V. 94, Iss. 24. P. 245438—24546. DOI: 10.1103/PhysRevB.94.245438
39. Kivelson S., Heeger A. J. Intrinsic conductivity of conducting polymers // Synth. Met. 1988. V. 22, Iss. 4. P. 371—384. DOI: 10.1016/0379-6779(88)90108-7
40. Sheng P. Fluctuation-induced tunneling conduction in disordered materials // Phys. Rev. B. 1980. V. 21, Iss. 6. P. 2180—2195. DOI: 10.1103/PhysRevB.21.2180
Рецензия
Для цитирования:
Галков М.С., Степина Н.П., Предтеченский М.P., Безродный А.Е., Кириенко В.В., Двуреченский А.В. Транспортные свойства ориентированной и изотропной бумаги из одностенных углеродных нанотрубок. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019;22(2):104-111. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-104-111
For citation:
Galkov M.S., Stepina N.P., Predtechenskiy M.R., Bezrodny A.E., Kirienko V.V., Dvurechenskii A.V. Preparation and transport properties of oriented buckypapers with single walled carbon nanotubes. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019;22(2):104-111. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-2-104-111
Просмотров: 581
Послать статью по эл. почте 