电子传输性能的多层单壁碳纳米管薄膜

文摘

采用一种改进的逐层真空过滤法制造的单壁碳纳米管(SWCNT)电影针对一系列SWCNT电影与可控厚度和密度。电子传输性能的多层SWCNT电影进行了调查。胶片密度不变,SWCNT薄膜的层数的减少导致增加的电阻温度系数(TCR)。SWCNT电影95%的金属纳米管已经显示出较低的细胞比SWCNT电影较低比例的金属纳米管。热退火的影响和随后的酸(HNO₃)治疗的电气性能SWCNT电影也被调查。

1。介绍

尽管单管设备基于单壁碳纳米管(SWCNTs)优良性能(1- - - - - -3),这些设备通常是捏造的随机因为它很难找到两个相同的SWCNTs通过现有技术。目前,通常可用SWCNT合成技术产生的混合物与不同直径碳纳米管(4- - - - - -8]。一个好SWCNT可以是金属或半导体取决于它的手性。一般来说,合成SWCNTs的三分之一是金属,而其他三分之二是半导体(9]。尽管从混合物中分离金属SWCNTs的金属和半导体SWCNTs最近成为可能10),两个相同的SWCNT设备的可重复的制造比不久的将来进一步的工作。从应用方面,SWCNT电影含有SWCNTs各种手性非常有吸引力,因为它们抑制个体纳米管之间的差异。

低温测量可能会给一些洞察SWCNT电影的传输机制,这可能导致一个最优的和设计的电气性能(SWCNT电影11]。除了作为一个潜在的替代ITO导电和透明电极材料,SWCNT薄膜最近也吸引了很多的关注由于其大测辐射热的光响应和高电阻温度系数(TCR) [12]。高TCR SWCNT电影非常大量的潜在应用红外(IR)传感器。真空过滤被发现是一种有效的方法可重复的单壁碳纳米管(SWCNT)电影的制造与设计厚度和胶片密度(1]。在这个工作中,采用一种改进的逐层真空过滤法制造的SWCNT电影针对一系列SWCNT电影与可控厚度和密度。减少SWCNT膜的厚度与一个常数电影密度的增加将导致细胞和一个大阻力。热退火和HNO的效果₃治疗SWCNT电影的电气性能也进行了讨论。最终旨在产生一个最佳SWCNT电影具有高识别,实验的设计和选择提供了洞察SWCNT电影。

2。实验

在这项研究中,我们使用商用HiPco提纯金属SWCNTs SWCNTs和高纯度(95%)http://www.NanoIntegris.com。的HiPco SWCNTs金属和半导体纳米管的混合物。因为没有优惠增长中发现的金属和半导体SWCNTs HiPco过程,我们有理由相信,大约三分之一的混合HiPco SWCNTs可能是金属纳米管(9]。金属SWCNTs的NanoIntegris SWCNTs有95%是提取混合SWCNTs通过一个可用的过程称为密度梯度离心法及其它)报告(13]。当样本购买,NanoIntegris SWCNTs已经分散在水溶液和一些水溶性表面活性剂和HiPco SWCNTs干粉形式。的水溶液中HiPco SWCNTs,表面活性剂(triton - 100)是用来帮助分散碳纳米管,紧随其后的是声波降解法过程和离心分离过程。SWCNTs粉末分散在水溶液(1% v / v表面活性剂(triton - 100)通过小时声波降解法和0.5小时离心。获得HiPco悬挂的浓度约为5×10⁻³毫克/毫升。的说法NanoIntegris SWCNT悬挂的稀释浓度一样,获得HiPco SWCNT悬挂,进一步声波降解法和离心分离过程不需要NanoIntegris SWCNT悬挂。准备一个纳米管薄膜,改善逐层真空过滤法(14,15)采用单和多层SWCNT电影。分散HiPco和NanoIntegris SWCNT悬浮液是vacuum-filtered到0.1μ米孔隙大小混合纤维素酯膜(微孔),其次是与大量的去离子水清洗,去除表面活性剂(triton - 100和其他表面活性剂如果有的话)。将碳纳米管薄膜玻璃衬底,仍然湿膜与膜朝下放置到衬底,使碳纳米管薄膜与玻璃紧密接触衬底。组装随后覆盖着一块干净的滤纸吸收水分和压缩2公斤质量保持薄膜平面的过夜。然后,干膜只是从膜剥落/纳米管/玻璃样品。多层SWCNT电影的每一层的密度可以控制的SWCNT悬挂,和多层SWCNT电影由一层真空过滤方法。所谓分层技术方法描述如下:在第一层SWCNTs已经转移到玻璃衬底,第二个vacuum-filtrated层SWCNTs将第一层,第三层vacuum-filtrated将在第二层,等等。多层SWCNT电影,在同一层SWCNTs可能交织而SWCNTs的接触区两个相邻层不会交织,但一个简单的接触。在这个实验中,研究层结构的影响,密度,和类型的SWCNTs的电气性能SWCNT电影,以下SWCNT电影样品准备和列在下表中1。样本1有两层,每一层都是准备使用1毫升HiPco SWCNT解决方案;示例2只有一层准备从2毫升HiPco SWCNT解决方案;示例3一层准备从2毫升NanoIntegris金属SWCNTs;示例4有三层,每一层都是准备从2毫升HiPco SWCNT解决方案。的好SWCNT电影在丙酮彻底清洗,然后在乙醇为未来的电性质测量。处理后样品(样品2 a-4an)是由退火和SWCNT电影在300°C Ar气体环境下24小时,没有后续HNO₃治疗方法。的HNO₃治疗是由淹没在12 M HNO退火纳米管/玻璃样品₃为0.5小时。

原子力显微镜(AFM)的地形图像SWCNT薄膜是在开发模式中使用多模AFM (Veeco仪器)。AFM也是用来测量的厚度SWCNT电影。在测量期间,AFM提示扫描在外侧边缘SWCNT电影和裸玻璃衬底之间。扫描范围足够大(超过50岁μ米),以避免错误来自SWCNT影片的边缘之间的差异及其内在的部分。步骤之间的垂直距离(高度)SWCNT电影和裸玻璃衬底的决心。几点从SWCNT电影已经被扫描测量玻璃衬底与扫描速率得到一个平均身高0.5赫兹。厚度SWCNT电影被定义为从AFM测量获得的平均身高。均方根(RMS) SWCNT薄膜表面的粗糙度通常小于10纳米。

SWCNT薄膜上的条形电极被漆成使用商用Ag)粘贴(Ted斗篷Inc .),然后银导线用于接触Ag地带的电极和样品阶段低温恒温器(结合- 500,詹尼斯研究)电性质测试。测量接触电阻,同样大小的条形电极间距不同相邻的设计在同一SWCNT电影。在这工作,SWCNT电影的宽度是5毫米,和相邻电极之间的间距不同从2毫米到8毫米。所有的电性质进行了测试使用一个吉时利4200 SC半导体分析仪。电极之间的电阻与不同的间距被测量并用于确定银/纳米管接触的接触电阻的固有电阻(SWCNT电影1,16]。相比之下,一些SWCNT电影的电气性能也被用四点测量法。我们的测量表明,接触电阻是10倍的固有电阻小于SWCNT电影。

3所示。结果与讨论

表1列表的详细信息SWCNT电影本实验中使用。示例1是一个两层SWCNT电影与一层制备过程中提到的实验部分。过程中,1毫升SWCNT悬架是用于样品1的每一层。示例2是一个制备单层SWCNT电影2毫升SWCNT悬挂。电影获得45纳米的厚度为样本1,并为示例2 35海里。同样考虑到电影维度,同样SWCNTs总额使用,两个样品的不同厚度,它很容易知道样品1的样品密度低于2。样品1和样品2的比较显示,SWCNT胶片的密度的减少导致环境房间的薄层电阻的增加从10750年到45780年Ω/□,即使使用相同数量的SWCNT悬挂在真空过滤两个样品。示例3是一个单层SWCNT电影准备2毫升SWCNT悬挂含有金属SWCNT含量高。如果我们忽略金属和半导体SWCNTs的直径不同,我们有理由相信,样品2和3有相同的厚度和密度由于我们使用相同的体积SWCNT悬挂在相同的浓度。在我们实验的误差范围,它显示相同的两个样品的厚度(35海里)通过AFM测量。 The sheet resistance of sample 3 is nearly half of that of sample 2 due to the higher metallic SWCNT content (95%) in sample 3 than that (33.3%) in sample 2. Sample 4 is a 3-layered sandwich SWCNT film, in which every layer is exactly the same as that in sample 2. The thickness of sample 4 is 105 nm, which is 3 times as thick as that of sample 2. It is expected that the measured sheet resistance of sample 4 should be one-third of that of sample 2. However, we find that the resistance of sample 4 is slightly lower than the expected value, as shown in Table1。众所周知,SWCNT电影的导电性是由渗流理论(1]。一个通用的幂律形式用于确定电导率之间的关系()和导电通道的浓度()在渗流阈值附近()。临界指数,它提供了一个索引系统的维度,是1.3和1.94在理论上理想的2 d和3 d系统。SWCNT膜系统在我们的实验中,维数变化从示例2中2 d到3 d样例4,这可能占较小的阻力值样本4比期望值。

样品2通过退火样品2在300°C Ar气体环境中24小时,样本与样本2的比较表明,退火处理的结果在薄层电阻的快速增长(从10750年Ω/ 104500Ω/□□)在室温下。退火的重大影响的阻力SWCNT电影也观察到样品4和4,如表所示1。实验结果表明,退火将导致SWCNT电影的阻力的增加。相反,进一步HNO₃治疗会导致明显的薄层电阻降低。如表所示1的薄层电阻样品2 104500Ω/□,但进一步的酸处理后的电阻是减少到19780Ω/□在示例2。同样,示例4的进一步酸处理也导致了一个巨大的减少电阻从24100年Ω/□1012年样本4Ω/□样品4个。酸处理后的电阻降低可以归结于电荷转移(17- - - - - -19SWCNT电影)。的HNO₃氧化(羧基)将导致羧基将附着在缺陷网站和SWCNT结束。羧基组电子受体,他们将接受SWCNTs的电子转移。因此,p型SWCNTs的孔的密度将增加与费米能级之间的分离和价带也将减少。因此,电阻HNO后SWCNT电影的₃治疗将减少17- - - - - -19]。

图1显示的变化相对电阻(R (T) / R (300 K))为样本1-4aN随温度80 K - 300 K温度范围内。图的插图1显示了一个典型的AFM图像SWCNT电影。纳米多孔网络形成碳纳米管的管状结构。均方根(rms)粗糙度从AFM SWCNT电影计算数据约7海里,相似的以前的报告(20.]。所有样品的相对电阻随温度变化连续SWCNT膜密度、厚度、和后期治疗。金属SWCNT电影(样本3)并不证明金属性质的测量温度范围,但所有其他的样品,代表了负ΔR /ΔT。正如我们所知,SWCNT电影的阻力来源于两个部分:一个是来自单个金属SWCNTs,另一个是金属SWCNTs之间的连接电阻。相信金属之间的连接电阻SWCNTs主导着电子运输,这也许可以解释负(ΔR /ΔT)。样品1和样品2的比较表明,与电影相对阻力减小,密度。膜厚度的减少导致的相对阻力的增加,如图所示的R (T) / R (300 K)和T阴谋样品2和4的图1。图1还显示的相对阻力的变化前后SWCNT电影热退火(样品2和2块,块样品4和4 a)和之后进一步HNO₃治疗(图2和图4)。结果表明,热退火的相对阻力的增加,同时进一步HNO₃治疗会相对的减少阻力。

图2描述了TCR的变化对样品1 - 4作为温度的函数,推导出图1细胞受体)与公式=(ΔR /ΔT) / R, R是相对电阻在温度T和图所示1。细胞变化的绝对值与密度、厚度、和金属SWCNT SWCNT电影内容,源于这些SWCNT电影准备的不同传输机制在不同的参数。通过比较样本1和2的T细胞受体和阴谋,一个可以看到TCR更高密度的大小样本2小于低密度的示例1。这一结果表明,SWCNT膜密度的增加导致减少细胞绝对值。从细胞与T块样品2和3,可以看出,TCR的大小随的增加金属SWCNT SWCNT电影的内容。假设,积极个人金属SWCNT TCR值占低细胞的大小和金属SWCNT含量高(SWCNT电影21]。细胞与T曲线对样品2和4显示了趋势的TCR绝对值相同密度的SWCNT电影随SWCNT薄膜的厚度。

图3显示了典型的TCR ~ T情节前后样品2和4退火和酸治疗。热退火前后,细胞绝对值增加从0.112(样2)到0.136(样本2)和0.088(示例4)到0.101(示例4 a)在300 K。低密度的TCR绝对值SWCNT电影(示例1)在300 K为0.146,这是最大的一个在所有样本中,甚至比退火SWCNT电影2样品,见下表1。这个结果表明,热退火的样品1可能会导致更大的TCR值比这里所有样品准备。图3表明HNO₃治疗退火样品会导致显著的降低细胞绝对值,看到样品2的情节在图43。正如我们所知,好SWCNT电影可能源自acid-reflux-based净化过程的p型和大气杂质,如氧气。热退火可以消除p型掺杂物,使SWCNT半导体,这可能占退火后细胞的增加。另一方面,酸洗的TCR的减少意味着HNO SWCNT电影₃治疗使退火SWCNT电影更多的金属。

仔细看过调查的变化相对电阻随温度和TCR HNO前后₃治疗样品2和4,如图1和3,展示了一些电气性能的差异,三层的样品。示例2的相对阻力和TCR的大于那些做好准备示例2但小于退火样品2 a。然而,相对电阻和TCR样例4的规模要小于4和4退火样品和样本。的不同变化趋势的相对阻力和TCR酸洗样品2和4一个可能的结果时提到的2 d到3 d系统过渡SWCNT电影从一层到三层的变化。这些样品的薄层电阻在室温下如表所示1也表明可能的2 d到3 d系统过渡。HNO的更深远的影响₃治疗样本4比2预计不仅基于SWCNT电影维度的转变。与示例2相比,示例4有三层,SWCNTs在同一层可能交织而SWCNTs的接触区两个相邻层不会交织,但有一个简单的接触。的夹层HNO₃层之间也可能占之间的明显差异的相对阻力和TCR样品在酸处理(2和422,23]。

4所示。结论

在这部作品中,低温电子传输性能的多层单壁碳纳米管(SWCNT)电影实验进行了调查。电阻温度系数(TCR) SWCNT电影与分层结构、可控厚度、密度和体积比的金属和半导体SWCNTs已经进行了研究。SWCNT膜密度的减少,减少金属SWCNT SWCNT电影内容,和热退火处理是有效的方法来获得一个SWCNT电影大细胞绝对值。我们的实验结果可能提供更多的线索在测辐射热计SWCNT电影中的应用。

承认

这项工作是由美国国家科学基金会支持下格兰特dmr - 0548061。

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