Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 2 (2020)

Дослідження структурних дефектів і електронних властивостей вуглецевих нанотрубок методом позитронної спектроскопії

Є. А. Цапко, І. Є. Галстян

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано 16.04.2020; остаточний варіант — 14.05.2020 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
В роботі розглянуто переваги та недоліки різних методів позитронної спектроскопії у вивченні електронних властивостей багатошарових вуглецевих нанотрубок (БВНТ) із металічним і напівпровідниковим типами провідности. Методою кутової кореляції анігіляційного випромінення (ККАВ) встановлено вплив дефектів на параметри електронної структури БВНТ. Аналіз результатів показав, що анігіляція відбувається з σ-електронами (у міжшарових проміжках), із квазивільними електронами та з електронами ненасичених ковалентних зв’язків. Показано, що зростання концентрації дефектів спричинює збільшення радіуса локалізації хвильової функції електронів ($r_{m1}$) у міжшарових проміжках і зростання частки квазивільних електронів. Внаслідок утворення крайових дислокацій у БВНТ відбуваються подвоєння $r_{m1}$ (до 0,25 нм), гібридизація ненасичених і розтягнутих σ-зв’язків і, як наслідок, зростання концентрації електронів провідности. Висока чутливість позитронів до дефектів може бути використана для розробки методів атестації БВНТ й ідентифікації дефектів; величини 2$r_{mb}$, 2$r_{mi}$, та $R$, одержані зі спектрів ККАВ, є, відповідно, товщиною шару, міжшаровою віддаллю й ефективним радіюсом вільного об’єму БВНТ.

Ключові слова: позитронна спектроскопія, вуглецеві нанотрубки, дефекти структури, радіус локалізації хвильової функції, електронні властивості.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, 2020