Спектроскопия одночастичных и коллективных возбуждений в углеродных нанотрубках

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 21-72-20050

НазваниеСпектроскопия одночастичных и коллективных возбуждений в углеродных нанотрубках

Руководитель Образцова Елена Дмитриевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Углеродные нанотрубки, терагерцовое излучение, плазмоника, туннельная плотность состояний, электрон-электронные взаимодействия

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают значительным потенциалом для применений в различных областях электроники и оптоэлектроники. Кроме того, они представляют собой идеальный модельный объект для изучения электронных свойств одномерных систем. Одним из ключевых и плохо исследованных на данный момент вопросом остается влияние электрон-электронных взаимодействий в УНТ на их зонную структуру а также распространение и закон дисперсии коллективных возбуждений носителей заряда – плазменных волн. Задача расчета зонной структуры и дисперсии плазменных волн в одностенных УНТ довольно легко решается в одночастичном приближении, даже с учетом эффектов кривизны поверхности УНТ. Учет электрон-электронных взаимодействий делает задачу существенно более сложной. В данном проекте планируется экспериментальное изучение обоих вопросов с применением двух недавно освоенных заявителями экспериментальных методик. Первая состоит в исследование плотности состояний УНТ с использованием туннельного контакта. Вторая основана на усиление отклика на излучение при выполнении условии плазмонного резонанса. Поскольку дисперсия плазменных волн определяется одночастичной плотностью состояний, можно сказать, что оба направления тесно связаны и служат одной, главной, цели проекта. При этом особое внимание будет уделяться роли экранирования электрон-электронных взаимодействий за счет емкостной связи с проводящими элементами (контакты, затворный электрод и т.д.). Полученные результаты позволят установить зависимость параметров зонной структуры и дисперсии плазменных волн в УНТ от длины экранирования кулоновских взаимодействий между носителями заряда. Выполнение задач проекта потребует использования сильных магнитных полей (от 10 Тл) при проведении транспортных измерений при низких температурах (от 1 до 20К). Проведение этих экспериментов планируется на базе ЦКП ФИАН. Кроме того реализация проекта потребует использования технологического оборудования ЦКП ФИАН: фото- и электронной литографии, плазменное травление и т.д. Работа над проектом будет осуществляться силами нескольких научных групп, каждая из которых обладает существенным заделом в области исследований. УНТ будут синтезированы в реакторе аэрозольного синтеза методом химического осаждения из газовой фазы, позволяющем получать практически бездефектные с точки зрения кристаллической структуры и очень чистые сточки зрения примесей одностенные нанотрубки. Высокий уровень квалификации членов научного коллектива и оригинальные подходы к решению поставленных перед проектом актуальных научных задач гарантируют его успешное выполнение и качество получаемых научных результатов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гребенко А., Бубис А., Мотовилов К., Дремов В., Коростылев Е., Киндиак И., Федоров Ф.С., Лучкин С., Жуйкова Ю., Трофименко А., Филков Г., Свиридов Г., Иванов А., Дулл Дж. Т., Можчил Р., Ионов А., Валамов В., Ранд Б. П., Подзоров В., Насибулин А. Г. Green Lithography for Delicate Materials ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS, Advanced Functional Materials. 2021 Apr 23:2101533. (год публикации - 2021)
10.1002/adfm.202101533

2. Неплох В., Федоров В., Можаров А., Кочетков Ф., Шугуров К., Моисеев Е., Амадор-Мендез Н., Стасенко Т., Морозова С., Красников Д., Насибулин А.Г., Исламова Р., Цырлин Г.Е., Чернышева М., Мухин И. Red GaPAs/GaP Nanowire-Based Flexible Light-Emitting Diodes Nanomaterials, 2021,11,2549 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11102549

3. Матюшкин Я.Е., Данилов С., Москотин М.В., Федоров Г.Е., Бочин А., Горбенко И., Качаровский В., Ганичев С. Carbon nanotubes for polarization sensitive terahertz plasmonic interferometry OPTICS EXPRESS, Volume 29, Issue 23, Pages 37189-37199 (год публикации - 2021)
10.1364/OE.435416

4. Шабанов А., Москотин М., Белосевич В., Матюшкин Я., Рыбин М., Федоров Г., Свинцов Д. Optimal asymmetry of transistor-based terahertz detectors Applied Physics Letters, 119, 163505 (2021) (год публикации - 2021)
10.1063/5.0063870

5. Матюшкин Я., Москотин М., Рогов Ю., Кунцевич А., Гольцман Г., Федоров Г. Single-particle states spectroscopy in individual carbon nanotubes with an aid of tunneling contacts Appied Physics Letters, т. 120, стр. 083104 (1-6) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0080093

6. Гребенко А.К., Красников Д.В., Бубис А.В., Вялых Д.В.,Макарова А.А.,Федоров А., Айткулова F., Алексеева А.А., Гильштейн Е., Бедран З., Шмаков А.Н., Алябьева Н., Мощий Р.Н., Ионов А.М., Горшунов Б.П., Лаасонен К., Подзоров В., Насибулин А.Г. High-Quality Graphene Using Boudouard Reaction Advanced Science, Том 9, выпуск 12, 2200217(1-12) (год публикации - 2022)
10.1002/advs.202200217

7. М.И. Пауков, В.В. Старченко, Д.В. Красников, Г.А. Командин, Ю.Г. Гладуш, С.С. Жуков, Б.П. Горшунов, А.Г. Насибулин, А.В. Арсенин, В.С. Волков, М.Г. Буданова Ultrafast opto-mechanical terahertz modulators based on stretchable carbon nanotube thin films Ultrafast Science (год публикации - 2022)

8. Еремин Т.В., Еремина В.А., Образцова Е.Д. Кислородные дефекты в одностенных углеродных нанотрубках для источников излучения в ближнем инфракрасном диапазоне Оптика и спектроскопия (год публикации - 2022)

9. Калачикова П.М., Голдт А.Е., Хабушев Э.М., Еремин Т.В., Зацепин Т.С., Образцова Е.Д., Ларионов К.В., Антипина Л.Ю., Сороктн П.Б., А.Г. Насибулин Single-step extraction of small diameter single-walled carbon nanotubes in the presence of riboflavin Beilstein Journal of Nanotechnology, т.13 (2022) (год публикации - 2022)

10. М. Егорова, А. Томская, С.А. Смагулова Optical Properties of Carbon Dots Synthesized by the Hydrothermal Method Materials, 16, стр. 4018 (1-11). (год публикации - 2023)
10.3390/ma16114018

11. Илья В. Новиков, Никита И. Рагинов, Дмитрий В. Красников, Сергей С. Жуков, Кирилл В. Живетев, Андрей В. Терентьев,Али Елакшар, Даниил А. Илатовский, Эльдар М. Хабушев, Артем К. Гребенко, Сергей А. Кузнецов, Борис П. Горшунов, Альберт Г. Насибулин Robust liquid-free patterning of SWCNT films for electronic and optical applications Chemical Engineering Journal, т.480 (15) (год публикации - 2023)

12. Максим И. Пауков, Владимир В. Старченко, Дмитрий В. Красников, Геннадий А. Командин, Юрий Г. Гладуш, Сергей С. Жуков, Борис П. Горшунов, Альберт Г. Насибулин, Алексей В. Арсенин, Валентин С. Волков, Мария Г. Бурданова Ultrafast Optomechanical Terahertz Modulators Based on Stretchable Carbon Nanotube Thin Films Ultrafast Sci. 3:Article 0021., т.3, 0021 (год публикации - 2023)
10.34133/ultrafastscience.0021

13. Бутт Х.А., Новиков И.В., Сулимов А.В., Паль А.К., Евлашин С.А., Воробей А.М., Зуев Я.И., Остриженый Д., Джуринский Д., Попов Ю.А., Паренаго О.О., Насибулин А.Г. Binder-free, pre-consolidated single-walled carbon nanotubes for manufacturing thermoset nanocomposites Carbon, том 202, стр. 450-463 (год публикации - 2023)
10.1016/j.carbon.2022.10.088

14. Д.Р. Терещенко, М.Н. Ершков, С.А. Солохин, С.А. Шухов, С.Н. Сметанин, Ю.А. Кочуков, А.Г. Папашвилли, М.Г. Рыбин, А. Исмаил, Е.Д. Образцова Highly efficient, powerful Nd:YAG laser CW mode-locked with monolayer CVD-graphene saturable absorber mirror Journal of the Optical Society of America B, т.41, №2 (год публикации - 2023)
10.2139/ssrn.4595050

15. Алиса Р. Богданова, Дмитрий В. Красников, Ельдар М. Хабушев, Хавьер Рамирес, Яков Е. Матюшкин, Альберт Г. Насибулин Role of hydrogen in carbon nanotube growth Nanomaterials, т. 13 (9), стр. 1504 (1) -1504 (12) (год публикации - 2023)
10.3390/nano13091504

16. Рыбин М.Г., Губерна Е.А., Образцова Е.А., Кондрашов И.И., Куркина И.И., Смагулова С.А., Образцова Е.Д. Rapid synthesis of CVD graphene with controllable charge carrier mobility Carbon Trends, v.15, 100349 (1-7) (год публикации - 2024)
10.1016/j.cartre.2024.100349

17. В.И. Цебро, А.А. Тонких, А.В. Садаков, О.А. Соболевский, Е.Д. Образцова Magnetotransport in pristine and iodine-doped single-wall carbon nanotubes assembled into transparent films Phys. Rev. B, т. 110, стр. 115431 (1-9) (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.115431

18. Мазуренко Илья, Вовк Дмитрий, Матюшкин Яков, Паддубская Алеся, Рыбин Максим, Образцова Елена Suppression of plasmonic interference in helicity sensitive broadband terahertz detectors Carbon Trends, т. 14, стр.100331 (1-6) (год публикации - 2024)
10.1016/j.cartre.2024.100331

19. Исмаил А., Ян Ф., Федоренко А.Ю., Орехов И.О. , Сазонкин С.Г. , Дворецкий Д.А., Денисов Л.К. , Карасик В.Е. Арутюнян Н.Р., Образцова Е.Д. Self – assembled aligned single – walled carbon nanotubes as an anisotropic polarizer and saturable absorber in erbium-doped femtosecond fiber laser Carbon, т. 230, стр. 119672 (1-8) (год публикации - 2024)
10.1016/j.carbon.2024.119672

20. Красников Д.В., Марунченко А.А., Королева Е.А., Кондрашов В.А., Илатовский Д.А., Хабушев Э.М., Дмитриева В.А., Яковлев В.Я., Копылова Д.С., Бакланов А.М., Шандаков С.Д. , Насибулин А.Г. One-step dry deposition technique for aligning single-walled carbon nanotubes Chemical Engineering Journal, v. 498, p. 155508 (1-8) (год публикации - 2024)
10.1016/j.cej.2024.155508

21. Терещенко Д.П., Ершков М.Н., Солохин С.А., Слухов С.А., Сметанин С.Н., Кочуков Ю. А., Папашвили А.Г., Рыбин М.Г., Исмаил А., Образцова Е.Д. Highly efficient, powerful Nd:YAG laser CW mode-locked with a monolayer CVD graphene saturable absorber mirror Jornal of the Optical Society of America B, Vol. 41, No. 2, p. 514-518 (год публикации - 2024)
10.1364/JOSAB.514747

22. Леонов С.О., Ерёмин Т.В., Фролов М.П., Коростелин Ю.В., Скасырский Я.К., Образцова Е.Д., Козловский В.И. Фемтосекундный Cr2+ : ZnSe-лазер с синхронизацией мод на основе углеродных нанотрубок Квантовая электроника, n.53 (#11), стр. 867-872 (год публикации - 2024)
https10.3103/S1068335624600529

23. В. И. Цебро, Е. Г. Николаев, М. С. Кутузов, А. В. Садаков, О. А. Соболевский СИЛЬНОЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРЫЖКОВЫЙ ТРАНСПОРТ В ГРАФЕНИЗИРОВАННЫХ НЕМАТИЧЕСКИХ АЭРОГЕЛЯХ ЖЭТФ, том 165, вып. 2, стр. 266-275 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024020123

24. Образцова Е.Д. Многообразие низкоразмерных углеродных структур и их уникальные физические свойства "УГЛЕРОДНЫЕ И ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ НАНОСТРУКТУРЫ". Тезисы докладов Молодежной конференции по физике полупроводников «Зимняя школа 2024». Санкт-Петербург (г. Зеленогорск) 29 февраля – 4 марта 2024 года. ПОЛИТЕХ_ПРЕСС. Санкт-Петербург, 2024 г., стр. 16-20 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году были получены следующие основные результаты: 1. 3 важных результата были получены в тесном сотрудничестве со вторым участником проекта - ЦКП ФИАН. Синтезированы одиночные одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), из них были выбраны с помощью растрового электронного микроскопа наиболее подходящие, к которым были созданы омические и туннельные контакты методами электронной литографии и электронно-лучевого напыления. При температуре 2 К, были измерены ВАХ ОУНТ при различных значениях аксиального магнитного поля от 0 до 16 Тл. В зависимости dI/dV(V) ожидалось наблюдение пиков, соответствующих пикам плотности состояний ОУНТ, а в магнитном поле получить расщепление этих пиков. Однако полученные зависимости dI/dV(V) не коррелировали с плотностью состояний в исследуемых нанотрубках. Эксперимент с одиночными об'ектами атомного масштаба является очень тонким. Иногда сопротивление меняется скачком (видимо, вследствие сгорания загрязнений/дефектов на трубках и/или контактах), поэтому отличие ВАХ в различных магнитных полях обусловлено, в основном, этими необратимыми скачками, а не магнитным полем. Такая же история повторилась и с нанополосками графена, геометрические размеры которых еще меньше, чем у ОУНТ. 2. Исследованы магнитотраспортные свойства (магнитосопротивление и эффект Холла), прозрачных сетчатых пленок из углеродных нанотрубок средним диаметром 2 нм, до и после их допирования йодом. Как было ранее нами показано, такое допирование приводит к сильному уменьшению электрического сопротивления таких пленок из-за смещения уровня Ферми вглубь валентной зоны на величину порядка 0.6 эВ, в результате чего все нанотрубки в пленке становятся металлическими. Исследования проводились при низких температурах от 3–5 до 40 К в магнитных полях до 16 Т. Измеренное магнитосопротивление хорошо аппроксимируется суммой двух вкладов: отрицательного и линейного положительного ненасыщающегося в сильных магнитных полях. Поведение с температурой параметров 2D модели слабой локализации говорит об электрон-электронном рассеянии как о главном механизме расфазировки диффузионного движения носителей заряда, а совпадение температурных зависимостей величины длины фазовой декогерентности для исходных и допированных пленок о том, что состояние статических дефектов и природа электрон-электронного рассеяния при допировании не меняются. Прямые измерения эффекта Холла показали, что абсолютные значения величин двухмерной плотности носителей заряда находятся в интервале 0.7-1.0•1018 см-2 -до допирования и 1.9-2.2•1018 см-2 - после него. Увеличение этих значений более, чем вдвое, коррелирует с данными по магнитосопротивлению в рамках 2D модели слабой локализации носителей. 3. Исследовано взаимодействие графеновых островов между собой на непроводящей поверхности, что важно для развития приложений графеновых устройств, реализуемых в первую очередь на диэлектрических поверхностях, а также создания простого и экспрессного метода определения «протекания» заряда по подложкам. Графен был получен с помощью реакции Будуара. Была изготовлена представительная серия образцов с разным размером графеновых кристаллитов на меди. Образцы были исследованы с применением терагерцовой (ТГц) спектроскопии с временным разрешением. Показано, что с помощью ТГц спектроскопии может отслеживаться перколяция графеновых островов и обобществленная проводимость от Лоренцевого вклада (внутри острова графена) к Друдэ типу проводимости (по всей поверхности). 4. Проведено исследование плазмонного интерферометра на графене. Отклик данного интерферометра на падающее излучение в широком диапазоне частот (от 0.14 до 35 ТГц) имеет постоянную составляющую, зависящую от поляризации падающего излучения. Интерферометр представляет собой полевой транзистор, к стоку и истоку которого подведены антенны. Изучено влияение однородности электрического допирования графенового канала на отклик такого устройства. 5. Проведены эксперименты по заполнению одностенных углеродных нанотрубок серой. Внктри нанотрубок сформировались одномерные цепи серы. Образцы были охарактеризованы методом комбинационного рассеяния света. Новый материал будет использован в будущем для формирования проводящих прозрачных электродов. 6. Сверхузкие графеновые нанополосы (ГНП) (шириной 0,3–1,0 нм) продемонстрировали более яркую фотолюминесценцию (ФЛ), чем ОУНТ. Пленки ГНП были синтезированы из молекул DBBA методом химического осаждения из газовой фазы, основанном на подходе «снизу вверх». Структура 7-AGNR нанополос подтверждена по спектрам комбинационного рассеяния света. Карты ФЛ подтверждают, что 7-AGNR имеют широкую оптическую запрещенную зону с максимумом пика экситонной фотолюминесценции при 608 нм (2,04 эВ). 7. Методом Z-скан продемонстрировано наличие насыщающегося поглощения в пленках из 7-AGNR графеновых нанополосок. При использовании излучения с длиной волны 800 нм (130 нДж – 600 нДж) оптическое пропускание и его изменение составляли: T0=48% dT=30%. 8. Крупные нанотрубки (диаметром 2 нм и более) эффективны для формирования сверхкоротких импульсов. Их рабочий диапазон определяется плотностью одно-электронных состояний (DOS). Реализован режим самосинхронизации мод в Cr2+:ZnSe лазере и сформированы ультракороткие лазерные импульсы длительностью до 160 фс, частотой повторения 135 МГц, выходной мощностью 17 мВт и центральной длиной волны 2,45 мкм. 9. Продемонстрировано, что укладка ОУНТ (как и DOS) определяют эффективность работы ОУНТ в качестве насыщающихся поглотителей. Выстроенные ОУНТ были подготовлены к применению в качестве насыщающихся поглотителей в эрбиевых волоконных лазерах сверхкоротких импульсов. Метод самосборки был использован для получения тонкой пленки параллельных ОУНТ. Выравнивание диагностировалось методом поляризационного комбинационного рассеяния (КР) света. Оценка показала выстраивание с углом распределения трубок ∆=15 градусов вокруг оси ориентации. При выстраивании глубина модуляции увеличилась на 6 %.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты выполненного проекта могут быть использованы на практике. 1. Пленки из заполненных одностенных углеродных нанотрубок могут быть использованы в качестве проводящих прозрачных электродов для солнечных элементов и GaN светодиодов, используемых для замены ртутных ламп. 2. Насыщающиеся поглотители из углеродных нанотрубок или графена могуь использоваться для формирования сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов в широком классе лазеров ( от видимого до среднего ИК диапазона). 3. Яркая фотолюминесценция сверхузких полос графена позволяет рассматривать их как возможный активный материал для нового класса микролазеров. 4. В традиционной технологии используются агрессивные органические растворители и другие вредные для чувствительных материалов методы обработки. Во время выполнения работ по проекту, был разработан новый класс зеленых и мягких литографических резистов, совместимых с деликатными материалами. 5. Создание установки для термофоретического осаждения ОУНТ на поверхности площадью больше 10 см2 является важным этапом для масштабирования на пути к встраиванию в текущие кремниевые технологии (например, 200 мм пластины). 6. Созданы гибкие красные светодиоды на основе осевых гетероструктурных нанопроволок GaPAs / GaP, встроенных в полидиметилсилоксановые мембраны с прозрачными электродами, состоящими из однослойных углеродных нанотрубок. Красные светодиоды на мембранной основе открывают путь для гибких полноцветных неорганических устройств.