Управление азотными дефектами в углеродных нанотрубках для автономных мемристивных систем
- Авторы: Ильин О.И.1, Хомленко Д.Н.1, Хубежов С.А.2, Рудык Н.Н.1, Ильина М.В.1
-
Учреждения:
- Южный федеральный университет
- Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 806-809
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journals.rcsi.science/2313-1829/article/view/256381
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623421
- ID: 256381
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Исследования последних лет показывает, что дополнительное введение гетероатомов в структуру УНТ позволяет изменять их электронные и физические свойства [1]. Большой интерес представляет процесс легирования УНТ атомами азота [2]. Внедрение азотных дефектов в решетку из углеродных атомов позволяет модифицировать структуру УНТ вплоть до проявления аномальных свойств, не свойственных для данного материала [3]. Было показано, что многостенные N-УНТ могут проявлять мемристивные, а также пьезоэлектрические свойства [4].
Управлять параметрами УНТ в процессе синтеза позволяет метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD). Добавление аммиака (NH3) к углеродсодержащему газу в процессе PECVD позволяет легировать УНТ непосредственно в процессе роста. При этом, концентрация легирующей примеси и тип создаваемых азотных дефектов оказывает значительное влияние на свойства УНТ. Мемристивные свойства УНТ уже достаточно исследованы [5], однако для применения их в автономных системах, необходимы дополнительные исследования параметров пьезоэлектрического модуля N-УНТ. Целью данной работы является исследование влияния потока аммиака на концентрацию, тип азотных дефектов и величину пьезоэлектрического модуля при выращивании УНТ методом PECVD.
В качестве образцов использовались подложки кремния (100), на которых были сформированы пленки буферного (Mo, 100 нм) подслоя и каталитического слоя (Ni, 15 нм). Выращивание УНТ проводилось при температуре 550 °С в атмосфере ацетилена (C2H2, 35 sccm) и NH3. Поток C2H2 сохранялся постоянным, а поток NH3 изменялся в соотношении C2H2:NH3 от 1:1 до 1:10.
На основе полученных РЭМ-изображений установлено, что с увеличением соотношения потоков C2H2:NH3 наблюдается увеличение плотности нанотрубок в массиве. Это происходит за счет более активного роста N-УНТ на мелких каталитических центрах никеля ввиду ускоренного процесса десорбции водорода и его связывания с ионами в плазме аммиака, что приводит к увеличению скорости роста нанотрубок на более мелких каталитических центрах. Таким образом, площадь каталитического центра является одним из лимитирующих факторов скорости роста и позволяет управлять аспектным соотношением и плотностью УНТ в массиве. Анализ РФЭС-спектров показал, что с увеличением соотношения потоков C2H2:NH3 от 1:1 до 1:10 также наблюдается нелинейное изменение концентрации легирующей примеси азота в N-УНТ от 8.4 до 12 ат. %. Это приводило к нелинейному изменению пьезоэлектрического модуля нанотрубок от 8.7 до 20.6 пм/В и изменению их мемристивных свойств. Установлено, что увеличение концентрации легирующего азота приводит к увеличению пьезоэлектрического модуля N-УНТ, являющегося источником мемристивного эффекта. Полученные результаты могут быть использованы при разработке энергоэффективных пьезоэлектрических наногенераторов на основе массива вертикально ориентированных N-УНТ для автономных мемристивных систем.
Ключевые слова
Полный текст
Исследования последних лет показывают, что дополнительное введение гетероатомов в структуру углеродных нанотрубок (УНТ) позволяет изменять их электронные и физические свойства [1]. Большой интерес представляет процесс легирования УНТ атомами азота [2]. Внедрение азотных дефектов в решётку из углеродных атомов позволяет модифицировать структуру УНТ вплоть до проявления аномальных свойств, не свойственных данному материалу [3]. Было показано, что многостенные легированные азотом УНТ (N-УНТ) могут проявлять мемристивные, а также пьезоэлектрические свойства [4].
Управлять параметрами УНТ в процессе синтеза позволяет метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD). Добавление аммиака (NH3) к углеродсодержащему газу в процессе PECVD позволяет легировать УНТ непосредственно в процессе роста. При этом концентрация легирующей примеси и тип создаваемых азотных дефектов оказывают значительное влияние на свойства УНТ. Мемристивные свойства УНТ уже достаточно исследованы [5], однако для применения их в автономных системах необходимы дополнительные исследования параметров пьезоэлектрического модуля N-УНТ.
Цель работы. Исследование влияния потока аммиака на концентрацию, тип азотных дефектов и величину пьезоэлектрического модуля при выращивании УНТ методом PECVD.
В качестве образцов использовали подложки кремния (100), на которых были сформированы плёнки буферного (Mo, 100 нм) подслоя и каталитического слоя (Ni, 15 нм). УНТ выращивали при температуре 550 °С в атмосфере ацетилена (C2H2, 35 sccm) и NH3. Поток C2H2 сохранялся постоянным, а поток NH3 изменялся в соотношении C2H2:NH3 от 1:1 до 1:10.
На основе полученных изображений, сделанных с помощью растровой электронной микроскопии, установлено, что с увеличением соотношения потоков C2H2:NH3 наблюдается увеличение плотности нанотрубок в массиве. Это происходит за счёт более активного роста N-УНТ на мелких каталитических центрах никеля ввиду ускоренного процесса десорбции водорода и его связывания с ионами в плазме аммиака, что приводит к увеличению скорости роста нанотрубок на более мелких каталитических центрах. Таким образом, площадь каталитического центра является одним из лимитирующих факторов скорости роста и позволяет управлять аспектным соотношением и плотностью УНТ в массиве. Анализ РФЭС-спектров (РФЭС — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) показал, что с увеличением соотношения потоков C2H2:NH3 от 1:1 до 1:10 также наблюдается нелинейное изменение концентрации легирующей примеси азота в N-УНТ от 8,4 до 12,0 ат.%. Это приводило к нелинейному изменению пьезоэлектрического модуля нанотрубок от 8,7 до 20,6 пм/В, а также к изменению их мемристивных свойств. Установлено, что увеличение концентрации легирующего азота ведёт к увеличению пьезоэлектрического модуля N-УНТ, являющегося источником мемристивного эффекта. Полученные результаты могут быть использованы при разработке энергоэффективных пьезоэлектрических наногенераторов на основе массива вертикально ориентированных N-УНТ для автономных мемристивных систем.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22-79-10163 (https://rscf.ru/project/22-79-10163/) в Южном федеральном университете.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
О. И. Ильин
Южный федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: oiilin@sfedu.ru
Россия, Таганрог
Д. Н. Хомленко
Южный федеральный университет
Email: oiilin@sfedu.ru
Россия, Таганрог
С. А. Хубежов
Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова
Email: oiilin@sfedu.ru
Россия, Владикавказ
Н. Н. Рудык
Южный федеральный университет
Email: oiilin@sfedu.ru
Россия, Таганрог
М. В. Ильина
Южный федеральный университет
Email: oiilin@sfedu.ru
Россия, Таганрог
Список литературы
- Li M., Zhang X., Jiang H., et al. Preparation and application of N-doped carbon nanotube arrays on graphene fibers // Nanotechnology. 2017. Vol. 28, N 38. P. 38LT01. doi: 10.1088/1361-6528/aa80d8
- Ayala P., Arenal R., Rümmeli M., et al. The doping of carbon nanotubes with nitrogen and their potential applications // Carbon. 2010. Vol. 48, N 3. P. 575–586. doi: 10.1016/j.carbon.2009.10.009
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Guryanov A.V., et al. Anomalous piezoelectricity and conductivity in aligned carbon nanotubes // J Mater Chem C. 2021. Vol. 9. P. 6014–6021. doi: 10.1039/D1TC00356A
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Osotova O.I., et al. Pyrrole-like defects as origin of piezoelectric effect in nitrogen-doped carbon nanotubes // Carbon. 2022. Vol. 190, N 312. P. 348–358. doi: 10.1016/j.carbon.2022.01.014
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Blinov Y.F., et al. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. 2017. Vol. 123. P. 514–524. doi: 10.1016/j.carbon.2017.07.090
Дополнительные файлы
