Ученые Сколтеха в сотрудничестве с российскими и финскими коллегами нашли новый, бесконтактный способ измерения толщины пленок однослойных углеродных нанотрубок, имеющий перспективы применения в самых разных областях – от солнечной энергетики до умной ткани. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Однослойная углеродная нанотрубка (ОУНТ) представляет собой свернутый в трубку лист графита толщиной в один атом. ОУНТ — одна из аллотропных форм углерода наряду с фуллеренами, графеном, алмазом и графитом. Однослойные углеродные нанотрубки имеют широкие перспективы промышленного применения в самых разных областях, от солнечных батарей и светодиодов до сверхбыстрых лазеров, прозрачных электродов и умной ткани.
Однако многие приложения требуют довольно точных измерений толщины пленки и ее оптических свойств. «Для целого ряда применений большое значение имеет толщина пленки, определяющая количество света, которое она может пропускать в видимом спектральном диапазоне, т.е. чем выше прозрачность пленки, тем меньше ее толщина. Кроме того, точность контроля толщины пленки и ее оптических постоянных имеет крайне важное значение при создании эффективных прозрачных электродов. Например, в случае солнечных батарей знать толщину пленки необходимо для того, чтобы улучшить антиотражающие свойства поверхности прозрачного слоя из ОУНТ. Для оценки и последующего использования механических свойств пленок ОУНТ необходимо сначала знать их геометрические размеры», – рассказывает руководитель Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха профессор Альберт Насибулин.
Сейчас для измерения оптических свойств используются методы абсорбционной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами, а для определения геометрических параметров – методы просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии или атомно-силовой микроскопии. Все эти методы очень трудоемки и требуют дорогостоящего оборудования и специальной подготовки образцов, что может повлиять на измеряемые свойства пленок ОУНТ.
Группе исследователей во главе с профессором Сколтеха и Университета Аалто Альбертом Насибулиным удалось разработать быстрый, универсальный, бесконтактный метод точной оценки толщины пленок ОУНТ и их диэлектрических функций. Ученые выбрали нестандартный путь, решив использовать быстрый и высокочувствительный неразрушающий метод спектроскопической эллипсометрии.
«Эллипсометрия – это непрямой бесконтактный метод, который можно применять для определения параметров пленки, но, к сожалению, далеко не всегда стандартные алгоритмы обработки данных дают удовлетворительный результат. На первый взгляд может показаться, что пленка из углеродных нанотрубок — это очень неудобный объект для эллипсометрии, поскольку она состоит из миллионов отдельных и связанных воедино трубок нанометрового размера, ориентированных случайным образом. Для таких пленок характерны сильное поглощение во всем спектральном диапазоне, слабое отражение и анизотропия оптических свойств. И тем не менее, первый автор статьи, студент совместной магистерской программы Сколтеха и МФТИ, Георгий Ермолаев разработал элегантный алгоритм, позволяющий получать данные о толщине и оптических постоянных пленок нанотрубок из одного набора оптических измерений», – отмечает один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха Юрий Гладуш.
Исследователи изготовили пленки SWCNT различной толщины с поглощением в диапазоне от 90% до 45% в области спектра около 550 нанометров и определили коэффициент преломления в широком спектре (250–3300 нм) и соответствующую толщину пленок.
«Мы ожидали, что оптические свойства пленок будут зависеть от плотности упаковки углеродных нанотрубок, но не ожидали, что эта зависимость окажется столь значительной. При добавлении одной капли этанола происходит уплотнение пленки, а коэффициент преломления увеличивается с 1,07 до 1,7, что позволяет контролировать оптические свойства пленок ОУНТ», – добавляет Насибулин.
Исследователи полагают, что полученные результаты могут быть использованы другими учеными применительно не только к углеродным нанотрубкам, но и к другим аналогичным структурам.
Работа проводилась при участии специалистов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, а также компаний GrapheneTek и Canatu Ltd.
