Проводимость и термо-ЭДС углеродных депозитов, содержащих нанотрубки Держнёв Денис Александрович

Введение к работе

5ьЗ О 7

Актуальность темы. Вот уже полтора десятилетия углеродные нанотрубки (УНТ) находятся в центре внимания мировой и научной общественности. Такое внимание на протяжении достаточно длительного времени обусловливается рядом необычных физических свойств, которые были обнаружены в УНТ и давшие большой толчок к развитию многих областей науки и техники.

Экспериментальные исследования показали, что УНТ являются одними из прочнейших материалов из всех когда-либо известных человечеству. Механические характеристики (прочность, упругость и др.) дают основание считать, что УНТ являются хорошим материалом для создания сверхпрочных композитов. Необычны и транспортные свойства УНТ: квантовая и баллистическая проводимость, плотности тока 10⁹- 10^ю Асм"² заставляют пересмотреть наши представления о транспортных свойствах обычных твердых тел и использовать открывшиеся возможности для развития наноэлектроники.

В последнее время внимание ученых обращено на одно из важнейших транспортных свойств, имеющее большое практическое значение - термо-ЭДС углеродных нанотрубок. К сожалению, термо-ЭДС единичной УНТ до сих пор не удалось измерить, поэтому приходится проводить исследования на образцах в виде скомпактированных матов или неупорядоченных клубков УНТ. При изучении кинетических характеристик в неупорядоченных системах углеродных нанотрубок и наносвязок возникают не простые вопросы создания контактных площадок, градиента температур, которые невозможно решить при использовании традиционных методик. Поэтому возникает необходимость в разработке экспериментальной методики измерения термо-ЭДС и проводимости в неупорядоченной системе нанотрубок. По этой причине число публикаций в мировой научной литературе по термо-ЭДС исчисляется единицами.

Диссертация выполнена по госбюджетной теме НИР № ГБ.96.26 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники" в Воронежском государственном техническом университете.

Цель работы. Установление зависимости проводимости и термо-ЭДС от размерного фактора и структурного состояния углерода (моно-, поликристаллический графит, нанокристаллический графит и углеродные нанотрубки). Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать технологические режимы для получения нано-трубных депозитов и нанотрубных депозитов в виде хлопьевидных гранул, образованных из связок нанотрубок.

2. Исследовать структуру и определить размеры структурных составляющих нанотрубных депозитов.

3. Разработать методику и установку для измерения проводимости
и термо-ЭДС, в которой должны бмть рошоиы—вевроєьі создания
контактных площадок, градиента темпер, ту'р¹^ В^ЙЙЙ^Мё^йтавляющих
собой неупорядоченную систему углероде ых нанр&* »

ТГ&яз;

4. Провести исследование проводимости и термо-ЭДС макроскопических неупорядоченных структур, состоящих из УНТ. Научная новизна. В работе впервые:

3. Получен нанотрубный депозит в виде хлопьевидных гранул. Экспериментально показано, что хлопьевидные структуры состоят из углеродных нанотрубок и наносвязок и имеют максимальные значения термо-ЭДС, это обусловлено тем, что большая часть УНТ является полупроводниковыми.

4. Выявлено, что проводимость в нанокристаллическом графите, нанотрубном депозите, скомпактированных углеродных нанотрубках и углеродном депозите в виде хлопьевидных гранул, образованных из связок нанотрубок, является прыжковой по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми.

3. Экспериментально показано, что перевод графита в
наноструктурное состояние приводит к увеличению термо-ЭДС, что
указывает еще на одну возможность повышения термоэлектрической
добротности путем перехода материала в наноструктурное состояние.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные результаты по проводимости и термо-ЭДС показывают, что углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для изготовления термоэлектрических элементов.

Повышенная пористость и высокое значение внутренней удельной поверхности определяют хорошую адсорбционную способность нанотрубных углеродных депозитов, поэтому их можно использовать в качестве адсорбентов, поглотителей и фильтров для очистки от нежелательных и вредных примесей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Сконструирована установка для распыления графита в
электрической дуге. Разработаны технологические режимы получения
нанотрубных углеродных депозитов и нанотрубных депозитов в виде
хлопьевидных гранул, образованных из связок нанотрубок.

2. Получен углеродный депозит в виде хлопьевидных гранул,
которые состоят из одномерных структур диаметром 50 - 60 нм и длиной
от 1 до 3 мкм. Каждая нить представляет собой наносвязку, содержащую
100 - 150 параллельно расположенных вдоль ее продольной оси
многослойных углеродных нанотрубок (МСУНТ) диаметром 2,5 - 4 нм.

3. Создана установка и методика измерения удельного
электрического сопротивления и термо-ЭДС, в которой решены вопросы
создания контактов и градиента температур в неупорядоченных
скоплениях углеродных наносвязок и нанотрубном депозите.

4. Анализ температурных зависимостей проводимости показал, что
электроперенос в нанотрубном депозите и хлопьевидных гранулах,
образованных из связок нанотрубок, осуществляется путем прыжков по
локализованным состояниям в высокоомных модификациях углерода на
поверхности УНТ. При этом до 320 К для нанотрубного депозита и до 330

К для хлопьевидных гранул доминирует прыжковый механизм проводимости с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми, а при более высоких температурах -между ближайшими соседними локализованными состояниями.

5. На основе теории электропроводности Мотта сделана оценка плотности локализованных состояний g(Ef) на уровне Ферми и длины прыжка носителей заряда R. Расчеты показали, что плотность локализованных состояний gE_f) на уровне Ферми растет от 4,410¹⁸ эВ"³см"³ для углеродного депозита в виде хлопьевидных гранул, образованных из связок нанотрубок, до 2,310²⁰ эВ"³-см'³ для нанотрубного депозита, а длина прыжка носителей заряда уменьшается от 3,87 до 1,44 нм соответственно.

6. Экспериментально показано, что переход к наноразмерному масштабу структурных составляющих приводит к увеличению значений термо-ЭДС от - 2,5 мкВ/К для монокристаллического графита до - 58 мкВ/К для нанотрубного депозита в виде хлопьевидных гранул, образованных из связок нанотрубок, что связано с уменьшением прыжковой приводимости и увеличением ТКС при формировании наноразмерной гетероструктуры.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:

6^th Biennial International Workshop "Fullerenes and atomic clusters". -Санкт-Петербург, 2003.

3-й Международный междисциплинарный симпозиум "Фракталы и прикладная синергетика". - Москва, 2003.

7^th Biennial International Workshop "Fullerenes and atomic clusters". -Санкт-Петербург, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Личный вклад автора. В проведении исследований и получении результатов вклад автора является определяющим. Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и библиографического списка из 96 наименований, изложена на 106 страницах, включая 43 рисунка и 4 таблицы.