Вместе с коллегами из Сколковского Института Науки и Технологий (группа проф. А.Г. Насибулина) мы предложили и исследовали новый подход, который включает одновременное двустороннее (внешняя и внутренняя поверхность) легирование ОУНТ после их открытия термической обработкой при 400°C в атмосфере окружающей среды Обработка раствором тетрахлороаурата этанола (HAuCl4) позволила достичь рекордного значения сопротивления 31±4 Ом м-1 при пропускании 90% в середине видимого спектра (550нм). Сильное p-легирование было подтверждено расчетами ab initio, подтверждающие смещение уровня Ферми вниз примерно на 1 эВ для случая двустороннего легирования.
Работа опубликована в J. Mater. Chem. C, 2021,9, 4514-4521
Хотя пленки из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) являются наиболее перспективными кандидатами на создание прозрачных и гибких плёнок, они все еще не отвечают требованиям оптоэлектроники. В данной работе был предложен и исследован новый подход, заключающийся в одновременном двустороннем (с внутренней и внешней стороны) легировании ОУНТ. Данный результат в эксперименте был получен проведена нашими коллегами, в котором было проведено открытие ОУНТ путем термической обработки при 400 °C в атмосфере окружающего воздуха. Допирование этанольным раствором хлороуксусной кислоты (HAuCl4) позволило достичь рекордного значения сопротивления листа (31 ± 4) Ом/м2 при пропускании 90 % в середине видимого спектра (550 нм).
ПЭМ изображения пленок ОУНТ, допированных 15 мМ этанольным раствором HAuCl4. Стрелками показаны ОУНТ, заполненные металлической фазой Au
a) ОУНТ без предварительной термической обработки и с предварительной обработка при b) 300 ºC (b) и c) 400 ºC. e,f) СПЭМ-изображения открытых ОУНТ, допированных 15 мМ HAuCl4, с инкапсулированными золотыми нанопроводами
Происхождение более эффективного допирования ОУНТ вследствие удаления предварительно сформированных шапок путем термической обработки также подтверждается нашими наблюдениями с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). На рисунке 1 представлены ПЭМ-изображения допированных HAuCl4 пленок как нетронутых, так и термически обработанных ОУНТ. На изображениях исходных и обработанных до 300 C ОУНТ наблюдается декорирование поверхности нанотрубок металлическими наночастицами золота размером примерно от 5 до 10 нм (рисунок 1a,b). Напротив, для образцов, термически обработанных при 400 ºC, помимо декорирования внешней поверхности наночастицами Au0, можно заметить заполнение внутреннего пространства ОУНТ (рисунок 1c,d). Измерение межплоскостного расстояния инкапсулированного материала по ТЕМ-изображениям дало результат 0,235 нм. Было установлено, что это металлическое золото, которое имеет (111) межплоскостное расстояние 0,2355 нм. Наночастицы золота покрывают внешнюю поверхность ОУНТ, образуясь в результате спонтанного восстановления анионов [AuCl4]-. Когда температура термообработки достаточно высока для окисления шапок нанотрубок, например, 400 ºC, легирующий раствор проникает во внутреннее пространство ОУНТ, что приводит к улучшению легирования и, кроме того, к образованию металлической золотой фазы. Это проявляется в более высокой эффективности легирования пленки ОУНТ, обработанной при 400 ºC, что объясняет ее рекордное значение R90.
Расчеты показывают (рисунок 2), что ОУНТ, допированные только снаружи (ОУНТ@AuCl4), демонстрируют значительный сдвиг уровня Ферми вниз на 0,79 эВ, что характеризует допирование p-типа. Дополнительное внедрение нанопроводов Au в ОУНТ приводит к перераспределению электронной плотности с нанопровода на ОУНТ и общему сдвигу уровня Ферми на 0,22 эВ, что соответствует допированию n-типа. Однако экспериментально не наблюдается значительного влияния на перенос заряда между ОУНТ и наночастицами Au, находящимися на поверхности нанотрубок. В случае двустороннего допирования AuCl4 наибольший сдвиг уровня Ферми SWCNT до 0,97 эВ наблюдается в случае двухстороннего допирования AuCl4. наблюдается наибольший сдвиг уровня Ферми SWCNT до 0,97 эВ. Это указывает на более эффективное легирование p-типа по сравнению с образцом, легированным только с внешней поверхности, что отражает эффективное легирование открытых SWCNT.
Comments