Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 2 (2020)

Исследование структурных дефектов и электронных свойств углеродных нанотрубок методом позитронной спектроскопии

Е. А. Цапко, И. Е. Галстян

Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена 16.04.2020; окончательный вариант — 14.05.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
В работе рассмотрены преимущества и недостатки различных методик позитронной спектроскопии в изучении электронных свойств многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) с металлическим и полупроводниковым типами проводимости. Методом угловой корреляции аннигиляционного излучения (УКАИ) установлено влияние дефектов на параметры электронной структуры МУНТ. Анализ результатов показал, что аннигиляция происходит с σ-электронами (в межслоевых промежутках), с квазисвободными электронами и с электронами ненасыщенных ковалентных связей. Показано, что рост концентрации дефектов приводит к увеличению радиуса локализации волновой функции электронов ($r_{m1}$) в межслоевых промежутках и росту доли квазисвободных электронов. Вследствие образования краевых дислокаций в МУНТ происходят удваивание $r_{m1}$ (до 0,25 нм), гибридизация ненасыщенных и растянутых σ-связей и, как следствие, рост концентрации электронов проводимости. Высокая чувствительность позитронов к дефектам может быть использована для разработки методов аттестации МУНТ и идентификации дефектов; величины 2$r_{mb}$, 2$r_{mi}$, и $R$, полученные из спектров УКАИ, являются, соответственно, толщиной слоя, межслоевым расстоянием и эффективным радиусом свободного объёма МУНТ.

Ключевые слова: позитронная спектроскопия, углеродные нанотрубки, дефекты структуры, радиус локализации волновой функции, электронные свойства.

Citation: E. A. Tsapko and I. Ye. Galstian, Positron Spectroscopy Study of Structural Defects and Electronic Properties of Carbon Nanotubes, Progress in Physics of Metals, 21, No. 2: 153–179 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.02.153

Цитированная литература (56)  
  1. P.A.M. Dirac, Math. Proc. Camb. Philos. Soc., 26, Iss. 3: 361 (1930). https://doi.org/10.1017/S0305004100016091
  2. C.D. Anderson, Phys. Rev., 43, Iss. 6: 491 (1933). https://doi.org/10.1103/PhysRev.43.491
  3. M. Deutsch, Phys. Rev., 83: 866. (1951)
  4. S. Berko and J.S. Plaskett, Phys. Rev., 112, Iss. 6: 1877 (1958). https://doi.org/10.1103/PhysRev.112.1877
  5. S. Berko, Phys. Rev., 128, Iss. 5: 2166 (1962). https://doi.org/10.1103/PhysRev.128.2166
  6. I.Ya. Dekhtyar and V.S. Mikhalenkov, Doklady Akad. Nauk SSSR, 140: 1293 (1961) (in Russian).
  7. Positrons in Solids (Ed. P. Hautojarvi). Topics in Current Physics (Berlin–Heidelberg: Springer: 1979), vol. 12. https://doi.org/10.1007/978-3-642-81316-0
  8. M. Eldrup, D. Lightbody, and J.N. Sherwood, Chem. Phys., 63, Iss. 1–2: 51 (1981). https://doi.org/10.1016/0301-0104(81)80307-2
  9. Positron and Positronium Chemistry (Eds. D.M. Schrader and Y.C. Jean). Studies in Physical and Theoretical Chemistry (Amsterdam–Oxford–New York–Tokyo: Elsevier: 1988), vol. 57.
  10. Y.C. Jean, Microchemical Journal, 42, Iss. 1: 72 (1990). https://doi.org/10.1016/0026-265X(90)90027-3
  11. O.E. Mogensen, Positron Annihilation Chemistry. Springer Series in Chemical Physics (Berlin: Springer–Verlag: 1995), vol. 58, p. 15. https://doi.org/10.1007/978-3-642-85123-0_2
  12. R.A. Pethrick, Prog. Polym. Sci., 22: 1 (1997). https://doi.org/10.1016/S0079-6700(96)00023-8
  13. G. Dlubek, F. Börner, R. Buchhold, K. Sahre, R. Krause-Rehberg, and K.-J. Eichhorn, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 38: 3062 (2000). https://doi.org/10.1002/1099-0488(20001201)38:23%3C3062::AID-POLB80%3E3.0.CO;2-I
  14. K.G. Lynn, J.R. MacDonald, R.A. Boie, L.C. Feldman, J.D. Gabbe, M.F. Robbins, E. Bonderup, and J. Golovchenko, Phys. Rev. Lett., 38, Iss. 5: 241 (1977). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.38.241
  15. A. Dupasquier and A.P. Mills, Positron Spectroscopy of Solids (Amsterdam: ISPress: 1993).
  16. R.A. Ferrell, Rev. Mod. Phys., 28, Iss. 3: 308 (1956). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.28.308
  17. M.M. Nyshchenko, E.A. Tsapko, V.Yu. Koda, V.S. Mykhalenkov, G.P. Prykhod’ko, Yu.I. Sementsov, R.V. Mazurenko, and S.M. Makhno, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 35, No. 9: 1167 (2013) (in Ukranian).
  18. J.P. Carbotte, Phys. Rev., 144, Iss. 1: 309 (1966). https://doi.org/10.1103/PhysRev.144.309
  19. D. Hudson, Statistika dlya Fizikov [Statistics for Physicists] (Moscow: Mir: 1987) (Russian translation).
  20. V. S. Mikhalenkov, Phys. Status Solidi A, 24, Iss. 2: 107 (1974). https://doi.org/10.1002/pssa.2210240245
  21. A. Cizek, F. Parizek, J. Adam, I.Ya. Dekhtyar, and V.S. Mikhalenkov, Czech. J. Phys. B, 19, 5: 629 (1969). https://doi.org/10.1007/BF01691476
  22. Y.C. Jean, J.D. Van Horn, W.S. Hung, and K.R. Lee, Macromolecules, 46, 18: 7133 (2013). https://doi.org/10.1021/ma401309x
  23. S.J.J. Tao, Chem. Phys., 56, Iss. 11: 5499 (1972). https://doi.org/10.1063/1.1677067
  24. D. Singh, W.E. Pickett, R.E. Cohen, H. Krakauer, and S. Berko, Phys. Rev. B, 39, Iss. 13: 9667(R) (1989). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.9667
  25. M. Peter and A.A. Manuel, Physica Scripta, 1989, T29: 106 (1989). https://doi.org/10.1088/0031-8949/1989/T29/019
  26. P.E. Mijnarends and A. Bansil, Positron Spectroscopy of Solids (Eds. A. Dupasquier and A.P. Mills Jr.). Proceedings of the International School of Physics ‘Enrico Fermi’ (1995), vol. 125, p. 25. https://doi.org/10.3254/978-1-61499-211-0-25
  27. R. Zhang, H. Cao, H.M. Chen, P. Mallon, T.C. Sandreczk, J.R. Richardson, Y. С. Jean, B. Nielsen, R. Suzuki, and T. Ohdaira Radiat. Phys. Chem., 58, Iss. 5–6: 639 (2000). https://doi.org/10.1016/S0969-806X(00)00235-8
  28. W.-S. Hung (Thesis of Disser. for Ph.D. in Chemical Engineering) (Chungli, Taiwan: Chung-Yuan Christian University: 2011).
  29. E. Nascimento, O. Helene, C. Takiya, and V.R. Vanin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A, 538, Iss. 1–3: 723 (2005). https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.09.013
  30. E. Bonderup, J.U. Andersen, and D.N. Lowy, Phys. Rev. B, 20: 883 (1979). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.20.883
  31. M. Sob, J. Phys. F: Met. Phys., 15, No. 8: 1685 (1985). https://doi.org/10.1088/0305-4608/15/8/008
  32. M. Barbiellini, M. Hakala, J. Puska, R.M. Nieminen, and A.A. Manueli, Phys. Rev. B, 56, Iss. 12: 7136 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.7136
  33. A. Seeger, J. Phys. F: Met. Phys., 3, No. 2: 248 (1973). https://doi.org/10.1088/0305-4608/3/2/003
  34. M. Doyama and R. Hasiguyi, Cryst. Lattice Defects, 4: 139 (1973).
  35. I.Ya. Dekhtyar, Phys. Rep., 9, Iss. 5: 243 (1974). https://doi.org/10.1016/0370-1573(74)90021-0
  36. R.N. West, Adv. Phys., 22, Iss. 3: 263 (1973). https://doi.org/10.1080/00018737300101299
  37. V.S. Mikhalenkov, V.I. Tokar, and E.A. Tsapko, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 7, No. 5: 101 (1985) (in Russian).
  38. D.G. Lock and R.N. West, J. Phys. F: Met. Phys., 4, No. 12: 2179 (1974). https://doi.org/10.1088/0305-4608/4/12/014
  39. P. Kubica, B.T.A. McKee, A.T. Stewart, and M.J. Stott, Phys. Rev. B, 11, Iss. 1: 11 (1975). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.11.11
  40. M.J. Stott and P. Kubica, Phys. Rev. B, 11, Iss. 1: 1 (1975). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.11.1
  41. I.M. Hong and J.P. Carbotte, Can. J. Phys., 55, No. 15: 1335 (1977). https://doi.org/10.1139/p77-170
  42. V.S. Mikhalenkov, V.I. Tokar, and E.A. Tsapko, Ukr. J. Phys., 24, No. 10: 1552 (1979) (in Russian).
  43. A.P. Cracknell, The Fermi Surfaces of Metal (London: Taylor and Francis Ltd.: 1971).
  44. V.S. Mikhalenkov, V.I. Tokar, and E.A. Tsapko, Proc. 5th Int. Conf. Positron Annihilation (Lake Yamanaka, Japan, April 1979) (Sendai, Japan: The Japan Institute of Metals: 1979).
  45. M.J. Puska, P. Lanki, and R.M. Nieminen, J. Phys.: Condens. Matter, 1, No. 35: 6081 (1989). https://doi.org/10.1088/0953-8984/1/35/008
  46. P. Kirkegaard and M. Eldrup, Comp. Phys. Comm., 3, Iss. 3: 240 (1972). https://doi.org/10.1016/0010-4655(72)90070-7
  47. P. Kirkegaard and M. Eldrup, Comp. Phys. Comm., 7, Iss. 7: 401 (1974). https://doi.org/10.1016/0010-4655(74)90070-8
  48. C.J. Virtue, R.J. Douglas, and B.T.A. McKee, Comp. Phys. Comm., 15, Iss. 1–2: 97 (1978). https://doi.org/10.1016/0010-4655(78)90084-X
  49. P. Kirkegaard, J.V. Olsen, M. Eldrup, and N.J. Pedersen, Riso DTU (Denmark: National Laboratory for Suntainable Energy: 2009).
  50. Sh. Ishibashi, J. Phys.: Condens. Matter, 14, No. 41: 9753 (2002). https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/41/330
  51. A.T. Luu, Zs. Kajcsos, N.D. Thanh, T.Q. Dung, M.V. Nhon, K. Lazar, K. Havancsak, G. Huhn, Z.E. Horvath, T.D. Tap, L.T. Son, and P.T. Phuc, Phys. Status Solidi C, 6, Iss. 11: 2578 (2009). https://doi.org/10.1002/pssc.200982105
  52. M. Xing-kun, C. Hong, H. Yuan-jin, Y. Nagashima, H. Saito, and T. Hyodo, Acta Physica Sinica, 8, No. 10: 783 (1999). https://doi.org/10.1088/1004-423X/8/10/008
  53. M.M. Nishchenko, E.A. Tsapko, Yu.V. Lisunova, G.P. Prikhod’ko, and N.I. Danilenko, Inorganic Materials: Applied Research, 2, No. 2: 186 (2011). https://doi.org/10.1134/S2075113311020158
  54. R.S. Justice, D.H. Wang, L.-S. Tana, and D. W. Schaefer, J. Appl. Cryst., 40: s88 (2007). https://doi.org/10.1107/S0021889807004153
  55. V.Yu. Koda, M.M. Nishchenko, A.V. Brichka, S.Ya. Brichka, and G.P. Prikhod’ko, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 3, No. 1: 227 (2005).
  56. R.K. Mueller and K.N. Maffitt, J. Appl. Phys., 35, Iss. 3: 734 (1964). https://doi.org/10.1063/1.1713456

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, 2020