Создание прозрачных, проводящих, гибких и эластичных пленок нового поколения на основе однослойных углеродных нанотрубок синтезированных аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-19-01787

НазваниеСоздание прозрачных, проводящих, гибких и эластичных пленок нового поколения на основе однослойных углеродных нанотрубок синтезированных аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы

Руководитель Насибулин Альберт Галийевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Пленки однослойных углеродных нанотрубок; ОУНТ; гибкие, прозрачные, эластичные и проводящие пленки; аэрозольный метод химического осаждения из газовой фазы; катализ; легирование; полевой транзистор

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на создание нового поколения тонких прозрачных, гибких и эластичных проводящих пленок на основе однослойных углеродных нанотрубок аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). На сегодняшний момент, в качестве основного материала для создания коммерческих прозрачных проводящих покрытий является оксид индия-олова (ITO). Развитие гибких, прозрачных, эластичных и проводящих покрытий и создание устройств на их основе является одним из самых широко востребованных направлений современной электроники и требует поиска новых материалов, поскольку существуют определенные технологические ограничения для создания гибких и эластичных покрытий на основе ITO, которому сопутствует постепенное истощение запасов индия. Среди множества кандидатов, предложенных в качестве перспективных для создания гибких проводящих пленок, выделяются углеродные нанотрубки. Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) являются идеальным кандидатом для создания гибких и эластичных проводящих пленок благодаря возможности создания пленок с заданной электронной структурой, пористостью и низким порогом перколяции. Еще одним перспективным направлением, которое по своей важности, возможно, даже превосходит проблему замены ITO, является создание нового поколения прозрачных и гибких транзисторов, которые по своим характеристикам были бы сравнимы или превосходили бы существующие транзисторы на основе кремния. Разработка оригинального подхода к синтезу однослойных углеродных нанотрубок - аэрозольного метода химического осаждения из газовой фазы (CVD) позволила масштабируемо и в одну стадию создавать пленки на основе хаотично ориентированных ОУНТ высокого относительно других методов качества. Однако, отсутствие подходов по синтезу нанотрубок с контролируемыми электрофизическими характеристиками существенно снижает характеристики получаемых изделий: так присутствие смеси металлических и полупроводниковых ОУНТ создает барьеры Шоттки и увеличивает поверхностное сопротивление пленок, что негативно сказывается на создании прозрачных электродов. С другой стороны, наличие металлических трубок в пленках существенно снижают характеристики полевых транзисторов на основе ОУНТ. Кроме того, наличие катализатора влияет на оптические и электрические свойства пленок. Существующие методы получения пленок сортированных полупроводниковых или металлических нанотрубок предполагают постсинтезную обработку, включающую предварительное приготовление растворов и последующую фильтрацию. Особенности аэрозольного метода синтеза нанотрубок позволяют получать пленки чистых сортированных нанотрубок непосредственно в процессе производства, а последующая обработка не включает в себя жидкую фазу. Целью настоящего проекта является создание пленок на основе ОУНТ с заданными характеристиками: прозрачность, проводимость, соотношение полупроводниковых и металлических трубок в составе пленки, распределение ОУНТ по диаметру для их использования в качестве прозрачных электродов или полевых транзисторов. В частности, в проекте планируется: 1) Создание проводящих пленок углеродных нанотрубок с распределением по хиральности, отличным от равновесного с помощью: a) вариации свойств и структуры активного центра катализатора роста нанотрубок; b) изменения доли металлических или полупроводниковых нанотрубок путем их селективной функционализации; 2) Легирование ОУНТ с целью изменения электрофизических характеристик пленок; 3) Ex situ удаление катализатора из пленок ОУНТ; 4) Влияние на ориентацию индивидуальных нанотрубок при их непосредственном осаждении из газовой фазы. Ожидается, что успешная реализация позволит снизить поверхностное сопротивление ОУНТ до 20 Ом/□ при значении коэффициента пропускания T=90%, что сравнимо с характеристиками пленок на основе оксида индия-олова на твердых подложках, и в настоящий момент недостижимо для пленок на основе ОУНТ. Также мы ожидаем создание транзисторов на основе пленок ОУНТ со значениями мобильности носителей заряда >1000 см^2В^-1с^-1 и отношения токов включения/выключения >10^6. Достижение цели проекта позволит масштабируемо синтезировать ОУНТ аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы и получать пленки нанотрубок с высокими оптоэлектрическими покахзателями и низкой стоимостью производства.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Афиногенов Б.И., Копылова Д.С., Абрашитова К.А., Бесссонов В.О., Анисимов А.С., Дьяков С.А., Гиппиус Н.А., Гладуша Ю.Г., Федянин А.А.б Насибулин А.Г. Midinfrared Surface Plasmons in Carbon Nanotube Plasmonic Metasurface Physical Review Applied, 9, 024027 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevApplied.9.024027

2. Гильштейн Е.П., Лин С., Кондрашов В.А., Копылова Д.С., Цапенко А.П., Анисимов А.С., Харт А.Дж., Дзао К., Насибулин А.Г. A One-Step Method of Hydrogel Modification by Single-Walled Carbon Nanotubes for Highly Stretchable and Transparent Electronics ACS Applied Materials & Interfaces, 10, 33, 28069-28075 (год публикации - 2018)
10.1021/acsami.8b08409

3. Копылова Д.С., Федоров Ф.С., Алексеева А.А., Гильштейн Е.П., Цапенко А.П., Бубис А.В., Гребенко А.К., Попов З.И., Сорокин П.Б., Гладуш Ю.Г., Анисимов А.С., Насибулин А.Г. Holey single-walled carbon nanotubes for ultra-fast broadband bolometers Nanoscale, 10, 18665-18671 (год публикации - 2018)
10.1039/c8nr05925j

4. Яковлев В.Я., Склюева Ю.А., Федоров Ф.С., Рупасов Д.П., Кондрашев В.А., Гребенко А.К., Михеев К.Г., Гильмутдинов Ф.З., Анисимов А.С., Михеев Г.М., Насибулин А.Г. Improvement of optoelectronic properties of single-walled carbon nanotube films by laser treatment Diamond & Related Materials, 88, 144-150 (год публикации - 2018)
10.1016/j.diamond.2018.07.006

5. Цапенко А.П., Гольдт А.Е., Шульга Е., Попов З.И., Маслаков К.И., Анисимов А.С., Сорокин П.Б., Насибулин А.Г. Highly conductive and transparent films of HAuCl4-doped single-walled carbon nanotubes for flexible applications Carbon, 130, 448-457 (год публикации - 2018)
10.1016/j.carbon.2018.01.016

6. Алиев A.E., Кодолуто Д., Боман Р.Х., Овале-Роблес Р., Иноу K., Романов С.А., Насибулин А.Г., Кумар П., Прия С., Майо Н.К., Блоттман Дж.Б. Thermoacoustic Sound Projector: Exceeding the Fundamental Efficiency of Carbon Nanotubes Nanotechnology, 29, 32, 325704 (год публикации - 2018)
10.1088/1361-6528/aac509

7. Дарья Шатько, Ахмад Р. Т. Нуграха, М. Шуфи Ухтары, Дарья Копылова, Альберт Г. Насибулин, Рийчиро Сайто Intersubband plasmon excitations in doped carbon nanotubes PHYSICAL REVIEW B, 99, 075403 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevB.99.075403

8. Мария А. Жиляева, Евгений В. Шульга, Сергей Д. Шандаков, Иван В. Сергеевич, Евгения П. Гильштейн, Антон С. Анисимов, Альберт Г. Насибулин A novel straightforward wet pulling technique to fabricate carbon nanotube fibers Carbon, 150, 69 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.04.111

9. Орыся Заремба, Анастасия Гольдт, Мария Рамирес-Моралес, Эльдар М. Хабушев, Евгений Шульга, Тимофей Еремин, Татьяна Приказчикова, Антон Орехов, Артем Гребенко, Тимофей С. Зацепин, Елена Д. Образцова, Альберт Г. Насибулин Robust technique for dispersion of single-walled carbon nanotubes in aqueous solutions with tRNA Carbon, 151, 175 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.05.076

10. Полина М. Калачикова, Анастасия Э. Гольдт, Эльдар М. Хабушев, Тимофей В. Еремин, Константин Б. Устинович, Артем Гребенко, Ольга О. Паренаго, Тимофей С. Зацепин, Олег И. Покровский, Елена Д. Образцова, Альберт Г. Насибулин Direct injection of SWCNTs into liquid after supercritical nitrogen treatment Carbon, 152, 66 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.06.003

11. Всеволод Я. Яковлев, Дмитрий В. Красников, Эльдар М. Хабушев, Юлия В. Колодяжная, Альберт Г. Насибулин Artificial neural network for predictive synthesis of single-walled carbon nanotubes by aerosol CVD method Carbon, 153, 100 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.07.013

12. Дмитрий В. Красников, Борис Ю. Забелич, Всеволод Я. Яковлев, Алексей П. Цапенко, Степан А. Романов, Алена A. Алексеева, Артем К. Гребенко, Альберт Г. Насибулин A spark discharge generator for scalable aerosol CVD synthesis of single-walled carbon nanotubes with tailored characteristics Chemical Engineering Journal, 372, 2019 (год публикации - 2019)
10.1016/j.cej.2019.04.173

13. Алексей П. Цапенко, Степан А. Романов, Дарья А. Сатко, Дмитрий В. Красников, Прамод М. Раджанна, Мати Данильсон, Ольга Волобужева, Антон С. Анисимов, Анастасия Э. Гольдт, Альберт Г. Насибулин Aerosol-Assisted Fine-Tuning of Optoelectrical Properties of SWCNT Films The Journal of Physical Chemistry Letters, 10, 14, 3961 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b01498

14. Мария Г. Бурданова, Алексей П. Цапенко, Дарья А. Сатко, Реза Каштибан, Коннор Д. В. Мосли, Маурицио Монти, Майкл Станифорт, Джереми Слоун, Юрий Г. Гладуш, Альберт Г. Насибулин, Джеймс Ллойд-Хьюз Giant Negative Terahertz Photoconductivity in Controllably Doped Carbon Nanotube Networks ACS Photonics, 6, 4, 1058 (год публикации - 2019)
10.1021/acsphotonics.9b00138

15. Степан А. Романов, Али Е. Алиев, Борис В. Файн, Антон С. Анисимов, Альберт Г. Насибулин Highly efficient thermophones based on freestanding single-walled carbon nanotube films NANOSCALE HORIZONS, 4, 1158 (год публикации - 2019)
10.1039/c9nh00164f

16. Арам А. Мкртчян, Юрий Г. Гладуш, Диана Галиахметова, Всеволод Яковлев, Вадим Т. Ахтямов, Альберт Г. Насибулин Dry-transfer technique for polymer-free single-walled carbon nanotube saturable absorber on a side polished fiber Optical Materials Express, 9, 4, 1551 (год публикации - 2019)
10.1364/OME.9.001551

17. Евгения П. Гильштейн, Степан А. Романов, Дарья С. Копылова, Георгий В. Савостьянов, Антон С. Анисимов, Ольга Е. Глухова, Альберт Г. Насибулин Mechanically Tunable Single-Walled Carbon Nanotube Films as a Universal Material for Transparent and Stretchable Electronics ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, 11, 30, 27327 (год публикации - 2019)
10.1021/acsami.9b07578

18. В.М.Губарев, В.Ю.Яковлев, М.Г.Серцу, О.Ф.Якушев, В.М.Кривцуне, Ю.Г.Гладуш, И.А.Останин, А.Соколов, Ф.Шеферс, В.В.Медведев, А.Г.Насибулин Single-walled carbon nanotube membranes for optical applications in the extreme ultraviolet range Carbon, 155, 734 (год публикации - 2019)
10.1016/j.carbon.2019.09.006

19. Всеволод Я. Яковлев, Дмитрий В. Красников, Эльдар М. Хабушев, Алена А. Алексеева, Артем К. Гребенко, Алексей П. Цапенко, Борис Ю. Забелич, Юлия В. Колодяжная, Альберт Г. Насибулин Fine-tuning of spark-discharge aerosol CVD reactor for single-walled carbon nanotube growth: The role of ex situ nucleation Chemical Engineering Journal, 123073 (год публикации - 2019)
10.1016/j.cej.2019.123073

20. Юрий Гладуш, Арам А. Мкртчян, Дарья С. Копылова, Алексей Иваненко, Борис Нюшков, Сергей Кобцев, Алексей Кохановский, Александр Хегай, Михаил Мелкумов, Мария Бурданова, Майкл Станифорт, Джеймс Ллойд-Хьюз, Альберт Г. Насибулин Ionic Liquid Gated Carbon Nanotube Saturable Absorber for Switchable Pulse Generation Nano Letters, 19, 9, 5836 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.nanolett.9b01012

21. Эльдар М. Хабушев, Дмитрий В. Красников, Орися Т. Заремба, Алексей П. Цапенко, Анастасия Э. Гольдт, Альберт Г. Насибулин Machine Learning for Tailoring Optoelectronic Properties of Single-Walled Carbon Nanotube Films JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS, 10, 21, 6962 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b02777

22. Прамод М. Раджанна, Хосни Меддеб, Олег Сергеев, Алексей П. Цапенко, Сергей Березнев, Мартин Вехсе, Ольга Волобуева, Мати Данильсон. Питер Д. Лунд, Альберт Г. Насибулин Rational design of highly efficient flexible and transparent p-type composite electrode based on single-walled carbon nanotubes Nano Energy, 104183 (год публикации - 2019)
10.1016/j.nanoen.2019.104183

23. Дарья Шатько, Дарья С. Копылова, Федор С. Федоров, Таня Каллио, Риичиро Сайто, Альберт Г. Насибулин Intersubband plasmon observation in electrochemically gated carbon nanotube films ACS Applied Electronic Materials (год публикации - 2019)

24. Карлсен П., Шуба М.В., Бекерлег С., Юко Д.И., Кужир П.П., Максименко С.А., Ксеневич В., Виет Хо, Насибулин А.Г., Тенне Р., Гендри Е. Influence of nanotube length and density on the plasmonic terahertz response of single-walled carbon nanotubes Journal of Physics D: Applied Physics, 51,1 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6463/aa96ef

25. Жукова Е.С., Гребенко А.К., Бубис А.В., Прохоров А.С., Белянчиков М.А., Цапенко А.П., Гильштейн Е.П., Копылова Д.С., Гладуш Ю.Г., Анисимов А.С., Анзин В.Б., Насибулин А.Г., Горшунов В.П. Terahertz-infrared electrodynamics of single-wall carbon nanotube films Nanotechnology, 28, 44, 445204 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6528/aa87d1

26. Варежников А.С., Федоров Ф.С., Бурмистров И.Н., Плугин И.А., Зоммер М., Лашков А.В., Гороховский А.В., Насибулин А.А. Кузнецов Д.В., Горшенков М.В., Сысоев В.В. The Room-Temperature Chemiresistive Properties of Potassium Titanate Whiskers versus Organic Vapors Nanomaterials (год публикации - 2017)

Публикации