Синтез массивов углеродных нанотрубок с варьируемой плотностью

  • Григорий [Grigoriy] Сергеевич [S.] Бочаров [Bocharov]
  • Михаил [Mikhail] Сергеевич [S.] Егин [Egin]
  • Александр [Aleksandr] Валентинович [V.] Елецкий [Eletskii]
  • Мария [Mariya] Андреевна [A.] Климова [Klimova]
  • Сергей [Sergey] Иванович [I.] Нефедкин [Nefedkin]
DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2020-1-67-72
Ключевые слова: нанотрубки, рамановская спектроскопия, поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия

Аннотация

Работа направлена на получение разреженного массива углеродных нанотрубок с целью использования в экспериментах по усилению сигнала комбинационного рассеяния света.

Развита процедура синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) методом CVD на подложках Si/SiO2 и ситалла. Подложки покрыты тонким слоем Ni в магнетронной напылительной установке. Последующий их отжиг в высокотемпературной печи при температуре 800.1000 оС приводил к распаду никелевой пленки на массив никелевых островков, которые служили в качестве катализатора роста УНТ. Синтез УНТ протекал в автоматизированной высокотемпературной печи установки Planar Tech в трубке из кварцевого стекла, помещенной в печь в потоке Ar с примесью СН4, Н2 и NH3. Температура синтеза составляла 900 оС, полная длительность процесса превышала 200 мин. Полностью автоматизированная установка позволила задавать режим синтеза, включая температуру и длительность каждой стадии, а также состав прокачиваемой газовой смеси. Анализ микрофотографий массивов УНТ, выращенных на различных подложках, показал, что в результате синтеза образуются горизонтально ориентированные многослойные УНТ диаметром от 26 до 60 нм, в зависимости как от типа и состояния поверхности подложки, так и режима отжига поверхности. Эти же факторы определяют плотность размещения УНТ на подложке.

Установлены условия синтеза, обеспечивающие образование разреженного массива УНТ, который представляется оптимальным для проведения экспериментов по усилению сигнала комбинационного рассеяния света. Обсуждаются особенности усиления сигнала комбинационного рассеяния света в результате взаимодействия плазмонных колебаний в УНТ в присутствии лазерного излучения с многоатомными молекулами. Отмечена роль экранирования излучения соседними нанотрубками, во избежание которого требуется использование разреженных массивов УНТ.

Сведения об авторах

Григорий [Grigoriy] Сергеевич [S.] Бочаров [Bocharov]

кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ» , e-mail: bocharovgs@mail.ru

Михаил [Mikhail] Сергеевич [S.] Егин [Egin]

аспирант кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ», e-mail: egin.1992@mail.ru

Александр [Aleksandr] Валентинович [V.] Елецкий [Eletskii]

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ», e-mail: eletskii@mail.ru

Мария [Mariya] Андреевна [A.] Климова [Klimova]

аспирант кафедры химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ», e-mail: klimovama@mail.ru

Сергей [Sergey] Иванович [I.] Нефедкин [Nefedkin]

доктор технических наук, профессор кафедры химии и электрохимической энергетики НИУ «МЭИ», e-mail: snefedkin@mail.ru

Литература

1. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // УФН. 1997. Т. 167. № 9. С. 945—972.
2. Елецкий А.В. Эндоэдральные структуры // УФН. 2000. Т. 170. № 2. С. 113—142.
3. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства // УФН. 2002. Т. 172. № 4. С. 401—438.
4. Елецкий А.В. Механические свойства углеродных наноструктур // УФН. 2007. Т. 177. № 3. С. 233—274.
5. Елецкий А.В. Транспортные свойства углеродных нанотрубок // УФН. 2009. Т. 179. № 3. С. 225—242.
6. Елецкий А.В. Холодные полевые эмиттеры на основе углеродных нанотрубок // УФН. 2010. Т. 180. № 9. С. 897—930.
7. Елецкий А.В., Книжник А.А., Потапкин Б.В., Kenny J.M. Электрические характеристики полимерных композитов, содержащих углеродные нанотрубки // УФН. 2015. Т. 185. № 3. С. 225—270.
8. Krylov A.A. е. а. Performance Peculiarity of CNT-based thin Film Saturable Absorbers for Er Fiber Laser Mode-locking // J. Optical Soc. America B: Optical Phys. 2016. No. 33 (2). Pp. 134—142.
9. Arutyunyan N.R. е. а. Light Polarizer in Visible and THz Range Based on Single-wall CNTs Embedded Into Poly (Methyl Methacrylate) Film // Laser Phys. Letters. 2016. V. 13. No. 6. Pp. 065901—065905.
10. Blackie E.J., Le Ru E.C., Etchegoin P.G. Single-molecule Surface-enhanced Raman Spectroscopy of Nonresonant Molecules // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 40. No. 131. Pp. 14466—14472.
11. Le Ru E.C., Blackie E., Meyer M., Etchegoin P.G. Surface Enhanced Raman Scattering Enhancement Factors: a Comprehensive Study // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 37. No. 111. Pp. 13794—13803.
12. Nie S., Emory S.R. Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering // Science. 1997. V. 5303. No. 275. Pp. 1102—1106.
13. Le Ru E.C., Meyer M., Etchegoin P.G. Proof of Single-molecule Sensitivity in Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) by Means of a Two-analyte Technique // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. No. 4. Pp. 1944—1948.
14. Chen Y.-C., Young R.J., Macpherson J.V, Wilson N.R. Single-walled Carbon Nanotube Networks Decorated with Silver Nanoparticles: a Novel Graded SERS Substrate // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 44. No. 111. Pp. 16167—16173.
15. Lee S. е. а. Utilizing 3D SERS Active Volumes in Aligned Carbon Nanotube Scaffold Substrates // Adv. Mater. 2012. No. 24 (38). Pp. 5261—5266.
16. Mueller N.S. е. а. Plasmonic Enhancement of SERS Measured on Molecules in Carbon Nanotubes // Faraday Discuss. 2017. No. 205. Pp. 85—103.
17. Елецкий А.В. и др. Усиление сигнала комбинационного рассеяния углеродными нанотрубками // Доклады РАН. 2018. Т. 483. № 5. С. 502—505.
18. Brouers F. е. а. Theory of Giant Raman Scattering from Semicontinuous Films // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. P. 13234.
19. Boyarintsev S.O., Sarychev A.K. Computer Simulation of Surface-enhanced Raman Scattering in Nano-structured Metamaterials // J. Experimental and Theoretical Phys. 2012. V. 113. No. 6. P. 1103.
20. Lagarkov A.N., Sarychev A.K. Electromagnetic Properties of the Composites Containing Elongated Conducting Inclusions // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. Pp. 6318—6336.
21. Vergeles S.S., Sarychev A.K., Tartakovsky G. All-dielectric Light Concentrator to Subwavelength Volume // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. P. 085401
--
Для цитирования: Бочаров Г.С., Егин М.С., Елецкий А.В., Климова М.А., Нефедкин С.И. Синтез массивов углеродных нанотрубок с варьируемой плотностью // Вестник МЭИ. 2020. № 1. С. 67—72. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-1-67-72.
#
1. Eletskiy A.V. Uglerodnye Nanotrubki. UFN. 1997; 167;9:945—972. (in Russian).
2. Eletskiy A.V. Endoedral'nye Struktury. UFN. 2000; 170;2:113—142. (in Russian).
3. Eletskiy A.V. Uglerodnye Nanotrubki i Ikh Emissionnye Svoystva. UFN. 2002;172;4:401—438. (in Russian).
4. Eletskiy A.V. Mekhanicheskie Svoystva Uglerodnykh Nanostruktur. UFN. 2007;177;3:233—274. (in Russian).
5. Eletskiy A.V. Transportnye Svoystva Uglerodnykh Nanotrubok. UFN. 2009;179;3:225—242. (in Russian).
6. Eletskiy A.V. Kholodnye Polevye Emittery na Osnove Uglerodnykh Nanotrubok. UFN. 2010;180;9:897—930. (in Russian).
7. Eletskiy A.V., Knizhnik A.A., Potapkin B.V., Kenny J.M. Elektricheskie Kharakteristiki Polimernykh Kompozitov, Soderzhashchikh Uglerodnye Nanotrubki. UFN. 2015;185;3:225—270. (in Russian).
8. Krylov A.A. е. а. Performance Peculiarity of CNT-based thin Film Saturable Absorbers for Er Fiber Laser Mode-locking. J. Optical Soc. America B: Optical Phys. 2016;33 (2):134—142.
9. Arutyunyan N.R. е. а. Light Polarizer in Visible and THz Range Based on Single-wall CNTs Embedded Into Poly (Methyl Methacrylate) Film. Laser Phys. Letters. 2016;13;6:065901—065905.
10. Blackie E.J., Le Ru E.C., Etchegoin P.G. Single-molecule Surface-enhanced Raman Spectroscopy of Nonresonant Molecules. J. Am. Chem. Soc. 2009;40;131: 14466—14472.
11. Le Ru E.C., Blackie E., Meyer M., Etchegoin P.G. Surface Enhanced Raman Scattering Enhancement Factors: a Comprehensive Study. J. Phys. Chem. C. 2007;37; 111:13794—13803.
12. Nie S., Emory S.R. Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 1997;5303;275:1102—1106.
13. Le Ru E.C., Meyer M., Etchegoin P.G. Proof of Single-molecule Sensitivity in Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) by Means of a Two-analyte Technique. J. Phys. Chem. B. 2006;110;4:1944—1948.
14. Chen Y.-C., Young R.J., Macpherson J.V, Wilson N.R. Single-walled Carbon Nanotube Networks Decorated with Silver Nanoparticles: a Novel Graded SERS Substrate. J. Phys. Chem. C. 2007;44;111;16167— 16173.
15. Lee S. е. а. Utilizing 3D SERS Active Volumes in Aligned Carbon Nanotube Scaffold Substrates. Adv. Mater. 2012;24 (38):5261—5266.
16. Mueller N.S. е. а. Plasmonic Enhancement of SERS Measured on Molecules in Carbon Nanotubes. Faraday Discuss. 2017;205:85—103.
17. Eletskiy A.V. i dr. Usilenie Signala Kombinatsionnogo Rasseyaniya Uglerodnymi Nanotrubkami. Doklady RAN. 2018;483;5:502—505. (in Russian).
18. Brouers F. е. а. Theory of Giant Raman Scattering from Semicontinuous Films. Phys. Rev. B. 1997;55:13234.
19. Boyarintsev S.O., Sarychev A.K. Computer Simulation of Surface-enhanced Raman Scattering in Nanostructured Metamaterials. J. Experimental and Theoretical Phys. 2012;113;6:1103.
20. Lagarkov A.N., Sarychev A.K. Electromagnetic Properties of the Composites Containing Elongated Conducting Inclusions. Phys. Rev. B. 1996;53:6318—6336.
21. Vergeles S.S., Sarychev A.K., Tartakovsky G. All-dielectric Light Concentrator to Subwavelength Volume. Phys. Rev. B. 2017; 95:085401.
--
For citation: Bocharov G.S., Egin M.S., Yeletsky A.V., Klimova M.A., Nefedkin S.I. A Synthesis of Carbon Nanotube Arrays with Variable Density. Bulletin of MPEI. 2020;1:67—72. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-1-67-72
Опубликован
2018-10-26
Выпуск
№ 1 (2020): Выпуск № 1
Раздел
Светотехника (05.09.07)