Electrically conductive properties of graphene–nanotube hybrid/aluminium oxide interfaces

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Background and Objectives: Currently, carbon nanostructure/metal oxide interfaces are becoming one of the key components of nanoelectronic devices, including tunnel field-effect transistors. Among carbon nanomaterials, special attention is paid to graphene, the increase in structural stability and control of electrical conductivity of which is an urgent scientific task. One of the solutions to this problem, which has been experimentallytested, is a combination of graphene with carbon nanotubes(CNT) in a hybrid nanostructure. Inthis work, we experimentally obtained for the first time 2D/0D interface samples in the form of a hybrid film of reduced graphene oxide (RGO) and single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) with deposited aluminum oxide (Al2O3) nanoparticles. Materials and Methods: Samples with an Al2O3 nanoparticle layer thickness of 5 nm and 20 nm were synthesized. Due to pulsed laser radiation with an energy density of 0.24 J/cm2 (laser processing power of 70 mW), the effect of binding Al2O3 nanoparticles to the surface of RGO/SWCNT nanostructures, as well as the effect of forming SWCNT nanostructures oriented at an angle to the silicon substrate, was achieved. Results: Electrical conductivity measurements were performed for the synthesized samples at temperatures of –50, –10, +20, +60, +140, +200°C. It has been found that with increasing temperature, the electrical conductivity of the sample with a layer thickness of Al2O3 nanoparticles of 5 nm increases by 2.5 times, and the sample with a thickness of 20 nm – by 4.2 times. At the same time, for the sample with a layer thickness of Al2O3 nanoparticles of 20 nm, higher electrical conductivity values are characteristic at all temperatures. Conclusion: Based on the obtained results, the synthesized samples of the RGO/SWCNT/Al2O3 interface can be recommended for use in nanoelectronic devices.

Авторлар туралы

Mikhail Slepchenkov

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-4282-5620
SPIN-код: 9066-0896
Scopus Author ID: 36844856100
ResearcherId: D-8991-2013
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Denis Murashko

National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology»

ORCID iD: 0000-0002-9437-8260
SPIN-код: 5630-4950
1, Shokin Sqr., Moscow, Zelenograd, 124498, Russia

Artem Kuksin

National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology»

ORCID iD: 0000-0001-8406-9977
SPIN-код: 1297-6256
1, Shokin Sqr., Moscow, Zelenograd, 124498, Russia

Roman Ryazanov

Scientific-Manufacturing Complex “Technological Centre”; National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology»; Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-2464-8712
SPIN-код: 5231-4355
Scopus Author ID: 57015665000
1 Shokin Square, Moscow 124498, Russia

Egor Lebedev

National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology»

ORCID iD: 0000-0002-5085-5408
SPIN-код: 9787-8723
1, Shokin Sqr., Moscow, Zelenograd, 124498, Russia

Yury Shaman

Scientific-Manufacturing Complex “Technological Centre”

ORCID iD: 0000-0001-7577-4746
SPIN-код: 8036-6705
Scopus Author ID: 15073626900
1 Shokin Square, Moscow 124498, Russia

Evgeny Kitsyuk

Scientific-Manufacturing Complex “Technological Centre”

ORCID iD: 0000-0002-4166-8408
SPIN-код: 1322-5130
Scopus Author ID: 55249675500
ResearcherId: E-8236-2014
1 Shokin Square, Moscow 124498, Russia

Alexander Gerasimenko

National Research University «Moscow Institute of Electronic Technology»

ORCID iD: 0000-0001-6514-2411
SPIN-код: 2010-1600
1, Shokin Sqr., Moscow, Zelenograd, 124498, Russia

Olga Glukhova

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-5670-2058
SPIN-код: 6656-9658
Scopus Author ID: 55900629900
ResearcherId: C-5497-2013
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Әдебиет тізімі

  1. Chaudhry M. A., Hussain R., Butt F. K., eds. Metal Oxide-Carbon Hybrid Materials: Synthesis, Properties and Applications. Elsevier Metal Oxides Series. Amsterdam, Elsevier, 2022. 588 p.
  2. Daneshvar F., Chen H., Noh K., Sue H. J. Critical challenges and advances in the carbon nanotube–metal interface for next-generation electronic. Nanoscale Adv., 2021, vol. 3, iss. 4, pp. 942–962. https://doi.org/10.1039/D0NA00822B
  3. Mishra H., Panda J., Ramu M., Sarkar T., Dayen J. F., Belotcerkovtceva D., Kamalakar M. V. Experimental advances in charge and spin transport in chemical vapor deposited graphene. J. Phys. Mater., 2021, vol. 4, art. 042007. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ac1247
  4. Maciel R. P., Eriksson O., Kvashnin Y. O., Thonig D., Belotcerkovtceva D., Kamalakar M. V., Ong C. S. Resistive switching in graphene: A theoretical case study on the alumina-graphene interface. Phys. Rev. Research, 2023, vol. 5, art. 043147. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.043147
  5. Martinez-Martinez R., Islam M. M., Krishnaprasad A., Roy T. Graphene-oxide interface for optoelectronic synapse application. Sci. Rep., 2022, vol. 12, iss. 1, art. 5880. https://doi.org/10.1038/s41598-022-09873-8
  6. Belotcerkovtceva D., Maciel R. P., Berggren E., Maddu R., Sarkar T., Kvashnin Y. O., Thonig D., Lindblad A., Eriksson O., Kamalakar M. V. Insights and implications of intricate surface charge transfer and sp3-defects in graphene/metal oxide interfaces. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, vol. 14, pp. 36209−36216. https://doi.org/10.1021/acsami.2c06626
  7. Alnuaimi A., Almansouri I., Saadat I., Nayfeh A. Interface engineering of graphene–silicon Schottky junction solar cells with an Al2O3 interfacial layer grown by atomic layer deposition. RSC Adv., 2018, vol. 8, pp. 10593−10597. https://doi.org/10.1039/c7ra13443f
  8. Gusmão M. S., Ghosh A., Frota H. O. Electronic transport properties of graphene/Al2O3 (0001) interface. Curr. Appl. Phys., 2018, vol. 18, iss. 1, pp. 90−95. https://doi.org/10.1016/j.cap.2017.10.008
  9. Fisichella G., Schilirò E., Di Franco S., Fiorenza P., Lo Nigro R., Roccaforte F., Ravesi S., Giannazzo F. Interface electrical properties of Al2O3 thin films on graphene obtained by atomic layer deposition with an in situ seedlike layer. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, iss. 8, pp. 7761−7771. https://doi.org/10.1021/acsami.6b15190
  10. Vu V. B., Bubendorff J. L., Mouafo L. D. N., Latil S., Zaarour A., Dayen J-F., Simon L., Dappe Y. J. Graphene/aluminum oxide interfaces for nanoelectronic devices. Electron. Struct., 2023, vol. 5, no. 4, art. 045005. https://doi.org/10.1088/2516-1075/acff9e
  11. Hu Y. Z., Li J., Luo L. L., Hu S. L., Shen H. H., Long X. G. Regulating interface interaction in alumina/graphene composites with nano alumina coating transition layers. RSC Adv., 2024, vol. 14, iss. 28, pp. 20020−20031. https://doi.org/10.1039/D4RA00356J
  12. Qin S. C., Liu Y. D., Jiang H. Z., Xu Y., Shi Y., Zhang R., Wang F. All-carbon hybrids for high-performance electronics, optoelectronics and energy storage. Sci. China. Inf. Sci., 2019, vol. 62, iss. 12, art. 220403. https://doi.org/10.1007/s11432-019-2676-x
  13. Li Y., Ai Q., Mao L., Guo J., Gong T., Lin Y., Wu G., Huang W., Zhang X. Hybrid strategy of graphene/carbon nanotube hierarchical networks for highly sensitive, flexible wearable strain sensors. Sci. Rep., 2021, vol. 11, iss. 1, art. 21006. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00307-5
  14. Sheng J., Han Z., Jia G., Zhu S., Xu Y., Zhang X., Yao Y., Li Y. Covalently bonded graphene sheets on carbon nanotubes: Direct growth and outstanding properties. Adv. Funct. Mater., 2023, vol. 33, art. 230678. https://doi.org/10.1002/adfm.202306785
  15. Liu B., Sun J., Zhao J., Yun X. Hybrid graphene and carbon nanotube–reinforced composites: Polymer, metal, and ceramic matrices. Adv. Compos. Hybrid Mater., 2025, vol. 8, art. 1. https://doi.org/10.1007/s42114-024-01074-3
  16. Lan M., Jia X., Tian R., Feng L., Shao D., Song H. Advancing multifunctional thermal management with multistate graphene/CNTs conjugated hybrids. Carbon, 2024, vol. 219, art. 118850. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118850
  17. Hong Z., Zheng Z., Kong L., Zhao L., Liu S., Li W., Shi J. Welded carbon nanotube–graphene hybrids with tunable strain sensing behavior for wide-range bio-signal monitoring. Polymers, 2024, vol. 16, iss. 2, art. 238. https://doi.org/10.3390/polym16020238
  18. Li Z., Li Z. H., Zhang Y., Xu X., Cheng Y., Zhang Y., Zhao J., Wei N. Highly sensitive weaving sensor of hybrid graphene nanoribbons and carbon nanotubes for tnhanced pressure sensing function. ACS Sens., 2024, vol. 9, iss. 5, pp. 2499–2508. https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00170
  19. Lee C., Wei X., Kysar J. W., Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, 2008, vol. 321, iss. 5887, pp. 385–388. https://doi.org/10.1126/science.1157996
  20. Lv R., Cruz-Silva E., Terrones M. Building Complex Hybrid Carbon Architectures by Covalent Interconnections: Graphene-Nanotube Hybrids and More. ACS Nano, 2014, vol. 8, iss. 5, pp. 4061–4069. https://doi.org/10.1021/nn502426c
  21. Tristán-López F., Morelos-Gómez A., Vega-Díaz S. M., García-Betancourt M. L., Perea-López N., Elías A. L., Muramatsu H., Cruz-Silva R., Tsuruoka, S., Kim Y. A., Hayahsi T., Kaneko K., Endo M., Terrones M. Large area films of alternating graphene-carbon nanotube layers processed in water. ACS Nano, 2013, vol. 7, iss. 12, pp. 10788–10798. https://doi.org/10.1021/nn404022m
  22. Du W., Ahmed Z., Wang Q., Yu C., Feng Z., Li G., Zhang M., Zhou C., Senegor R., Yang C. Y. Structures, properties, and applications of CNT-graphene heterostructures. 2D Mater., 2019, vol. 6, iss. 4, art. 042005. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab41d3
  23. Jiang Y., Song S., Mi M., Yu L., Xu L., Jiang P., Wang Y. Improved Electrical and Thermal Conductivities of Graphene–Carbon Nanotube Composite Film as an Advanced Thermal Interface Material. Energies, 2023, vol. 16, iss. 3, pp. 1378. https://doi.org/10.3390/en16031378
  24. Al-Saleh M. H. Electrical and mechanical properties of graphene/carbon nanotube hybrid nanocomposites. Synthetic Metals, 2015, vol. 209, pp. 41–46. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2015.06.023
  25. Kholmanov I. N., Magnuson C. W., Piner R., Kim J. Y., Aliev A. E., Tan C., Kim T. Y., Zakhidov A. A., Sberveglieri G., Baughman R. H., Ruoff R. S. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films. Adv. Mater., 2015, vol. 27, iss. 19, pp. 3053–3059. https://doi.org/10.1002/adma.201500785
  26. Slepchenkov M. M., Barkov P. V., Glukhova O. E. Features of the atomic structure and electronic properties of hybrid films formed by single-walled carbon nanotubes and bilayer graphene. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2021, vol. 21, iss. 4, pp. 302–314 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2021-21-4-302-314
  27. Gerasimenko A. Y., Kuksin A. V., Shaman Y. P., Kitsyuk E. P., Fedorova Y. O., Sysa A. V., Pavlov A. A., Glukhova O. E. Electrically conductive networks from hybrids of carbon nanotubes and graphene created by laser radiation. Nanomaterials, 2021, vol. 11, iss. 8, art. 1875. https://doi.org/10.3390/nano11081875
  28. Etesami M., Nguyen M. T., Yonezawa T., Tuantranont A., Somwangthanaroj A., Kheawhom S. 3D carbon nanotubes-graphene hybrids for energy conversion and storage applications. Chem. Eng. J., 2022, vol. 446, pt. 3, art. 137190. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137190
  29. Pyo S., Eun Y., Sim J., Kim K., Choi J. Carbon nanotube-graphene hybrids for soft electronics, sensors, and actuators. Micro Nano Syst. Lett., 2022, vol. 10, art. 9. https://doi.org/10.1186/s40486-022-00151-w
  30. Zhang Y., Li Y., Sun J., You Q., Li K., Zhu M., Deng T. A micro broadband photodetector based on single wall carbon nanotubes–graphene heterojunction. J. Light. Technol., 2022, vol. 40, iss. 1, pp. 149–155. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3120184
  31. Zhang Y., Li Y., You Q., Sun J., Li K., Hong H., Kong L., Zhu M., Deng T., Liu Z. A broadband 3D microtubular photodetector based on a single wall carbon nanotube-graphene heterojunction. Nanoscale, 2023, vol. 15, iss. 3, pp. 1402–1411. https://doi.org/10.1039/D2NR05819G
  32. Gerasimenko A. Y., Kuksin A. V., Shaman Y. P., Kitsyuk E. P., Fedorova Y. O., Murashko D. T., Shamanaev A. A., Eganova E. M., Sysa A. V., Savelyev M. S., Telyshev D. V., Pavlov A. A., Glukhova O. E. Hybrid carbon nanotubes–graphene nanostructures: Modeling, formation, characterization. Nanomaterials, 2022, vol. 12, iss. 16, art. 2812. https://doi.org/10.3390/nano12162812
  33. Wang G., Liu L., Zhang Z. Interface mechanics in carbon nanomaterials-based nanocomposites. Composites A: Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 141, iss. 6414, art. 106212. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106212
  34. Wang Y., Zhou W., Cao K., Hu X., Gao L., Lu Y. Architectured graphene and its composites: Manufacturing and structural applications. Compositesa A: Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 140, art. 106177. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106177
  35. Xie Y., Kocaefe D., Kocaefe Y., Cheng J., Liu W. The effect of novel synthetic methods and parameters control on morphology of nano-alumina particles. Nanoscale Res. Lett., 2016, vol. 11, iss. 1, art. 259. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1472-z
  36. Nakamiya T., Ueda T., Ikegami T., Mitsugi F., Ebihara K., Sonoda Y., Iwasaki Y., Tsuda R. Effect of a pulsed Nd: YAG laser irradiation on multi-walled carbon nanotubes film. Thin Solid Films, 2009, vol. 517, iss. 14, pp. 3854–3858. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.01.097
  37. Zhang X., Yang L., Liu H. High-temperature conduction behavior of carbon nanotube fiber from 25°C to 1100°C. Appl. Phys. Lett., 2018, vol. 112, iss. 16, art. 164103. https://doi.org/10.1063/1.5026889

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».