Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу

Експериментально показано, що механізми електропровідности для нановуглецевих матеріялів, що містять вуглецеві нанорурки, які мають різний структурно-фазовий склад, є різними. В рамках моделю з’єднань послідовних ефективних опорів з різними температурними залежностями опору виконано теоретичні роз...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Лень, Т.А., Мацуй, Л.Ю., Овcієнко, І.В.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Series:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76423
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу / Т.А. Лень, Л.Ю. Мацуй, І.В. Овcієнко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 383-389. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76423
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-764232025-02-09T13:42:33Z Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу Mechanisms of Electroconductivity in Composite Materials Based on Carbon Nanotubes of Different Structural Compositions Лень, Т.А. Мацуй, Л.Ю. Овcієнко, І.В. Експериментально показано, що механізми електропровідности для нановуглецевих матеріялів, що містять вуглецеві нанорурки, які мають різний структурно-фазовий склад, є різними. В рамках моделю з’єднань послідовних ефективних опорів з різними температурними залежностями опору виконано теоретичні розрахунки ρ(Т). As shown, the mechanisms of electroconductivity for nanocarbon materials (NCM) with different structural and phase composition are different. Theoretical calculations of ρ(T) are performed within the scope of effectiveresistance series-connections model for different temperature dependences of resistance. Экспериментально показано, что механизмы проводимости для наноуглеродных материалов, которые содержат углеродные нанотрубки, имеющие разный структурно-фазовый состав, являются разными. В рамках модели последовательных соединений эффективных сопротивлений с разными температурными зависимостями сопротивления сделаны теоретические расчеты ρ(Т). 2009 Article Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу / Т.А. Лень, Л.Ю. Мацуй, І.В. Овcієнко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 383-389. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 61.05.cp,61.48.De,72.60.+g,72.80.Rj,72.80.Tm,81.05.ub,81.40.Rs https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76423 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Експериментально показано, що механізми електропровідности для нановуглецевих матеріялів, що містять вуглецеві нанорурки, які мають різний структурно-фазовий склад, є різними. В рамках моделю з’єднань послідовних ефективних опорів з різними температурними залежностями опору виконано теоретичні розрахунки ρ(Т).
format	Article
author	Лень, Т.А. Мацуй, Л.Ю. Овcієнко, І.В.
spellingShingle	Лень, Т.А. Мацуй, Л.Ю. Овcієнко, І.В. Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Лень, Т.А. Мацуй, Л.Ю. Овcієнко, І.В.
author_sort	Лень, Т.А.
title	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
title_short	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
title_full	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
title_fullStr	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
title_full_unstemmed	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
title_sort	механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76423
citation_txt	Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу / Т.А. Лень, Л.Ю. Мацуй, І.В. Овcієнко // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 2. — С. 383-389. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT lenʹta mehanízmielektroprovídnostikompozicíjnihmateríâlívnaosnovívuglecevihnanorurokríznogostrukturnogoskladu AT macujlû mehanízmielektroprovídnostikompozicíjnihmateríâlívnaosnovívuglecevihnanorurokríznogostrukturnogoskladu AT ovcíênkoív mehanízmielektroprovídnostikompozicíjnihmateríâlívnaosnovívuglecevihnanorurokríznogostrukturnogoskladu AT lenʹta mechanismsofelectroconductivityincompositematerialsbasedoncarbonnanotubesofdifferentstructuralcompositions AT macujlû mechanismsofelectroconductivityincompositematerialsbasedoncarbonnanotubesofdifferentstructuralcompositions AT ovcíênkoív mechanismsofelectroconductivityincompositematerialsbasedoncarbonnanotubesofdifferentstructuralcompositions
first_indexed	2025-11-26T09:31:40Z
last_indexed	2025-11-26T09:31:40Z
_version_	1849844832848052224
fulltext	383 PACS numbers: 61.05.cp, 61.48.De,72.60.+g,72.80.Rj,72.80.Tm,81.05.ub, 81.40.Rs Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу Т. А. Лень, Л. Ю. Мацуй, І. В. Овcієнко Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 64, 01033 Київ, Україна Експериментально показано, що механізми електропровідности для на- новуглецевих матеріялів, що містять вуглецеві нанорурки, які мають рі- зний структурно-фазовий склад, є різними. В рамках моделю з’єднань послідовних ефективних опорів з різними температурними залежностями опору виконано теоретичні розрахунки ρ(Т). As shown, the mechanisms of electroconductivity for nanocarbon materials (NCM) with different structural and phase composition are different. Theo- retical calculations of ρ(T) are performed within the scope of effective- resistance series-connections model for different temperature dependences of resistance. Экспериментально показано, что механизмы проводимости для наноуг- леродных материалов, которые содержат углеродные нанотрубки, имею- щие разный структурно-фазовый состав, являются разными. В рамках модели последовательных соединений эффективных сопротивлений с разными температурными зависимостями сопротивления сделаны теоре- тические расчеты ρ(Т). Ключові слова: нановуглецевий матеріял, вуглецеві нанорурки, елект- ропровідність, слабка льокалізація, стрибкова провідність. (Отримано 12 листопада 2008 р.) 1. ВСТУП Вуглецеві нанорурки (ВНР) в останні роки привертають увагу бага- тьох дослідників завдяки широкому спектру можливостей їх вико- ристання, зокрема, в якості молекулярних приладів, сенсорів, га- зових накопичувачів, зондів електронних мікроскопів та багатьох Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 2, сс. 383—389 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 384 Т. А. ЛЕНЬ, Л. Ю. МАЦУЙ, І. В. ОСВІЄНКО інших приладів. Завдяки своїм унікальним електронним властиво- стям ВНР можуть претендувати на роль головних «будівельних це- глин» наноелектроніки майбутнього. Як відомо провідність ідеальної одностінної ВНР описується в рамках теорії одновимірної Латтінґерової рідини з ступеневою за- лежністю провідности від температур [1]. Для нановуглецевого матеріялу (НВМ), що містить багатостінні ВНР в літературі відсутній єдиний погляд на механізми електропрові- дности. В ряді робіт [2, 3] для НВМ пропонується стрибковий меха- нізм провідности із змінною довжиною стрибка, причому як для дво- вимірного, так і для тривимірного випадку. В [4] автори описують те- мпературну залежність електроопору в НВМ в рамках «двозонного» моделю провідности, який використовується для опису електротранс- портних властивостей графітових матеріялів. Крім того, для деяких НВМ, що містять багатостінні ВНР, авторами [5, 6] спостерігалися аномальні температурні та польові залежності електроопору, які пов’язуються авторами з проявом квантового ефекту слабкої льокалі- зації. Таким чином, не зважаючи на значну кількість експерименталь- них результатів по дослідженню провідности в НВМ, що містить ВНР, в літературі відсутні статті, в яких би була проведена чітка кореляція між структурно-фазовим складом НВМ і характером та механізмами електропровідности в ньому. Метою даної роботи було експериментальне дослідження темпе- ратурної залежности електроопору в зразках НВМ різного структу- рно-фазового складу, виявлення механізмів провідности в них та встановлення взаємозв’язку між структурно-фазовим складом НВМ та механізмами провідности НВМ. 2. МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ Для досліджень електроопору були обрані два зразки НВМ: зразок #1 – вихідний НВМ, одержаний методою низькотемпературної конверсії монооксиду вуглецю СО в каталітичнім процесі реакції 2СО = СО2 + С з використанням металу-каталізатору (ніклю), та зра- зок #2 – підданий хемічному обробленню та відпалений за темпе- ратури 550°С вихідний НВМ. На рисунку 1 наведено фраґменти дифрактограм для обох зраз- ків. Як випливає з рисунку, для зразка #1 спостерігається слабка розмита 002-графітова лінія та інтенсивні лінії, що відповідають каталізатору ніклю. Термохемічне оброблення призводить до сут- тєвої зміни співвідношення інтенсивностей графітової лінії та ліній каталізатора. Інтенсивність графітової 002-лініїї зростає. Кутове положення 002-лініїї відповідає віддалі між шарами 0,37 нм. При цьому лінії каталізатора практично не спостерігаються. МЕХАНІЗМИ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІЯЛІВ 385 Як показала проведена в [7, 8] детальна аналіза структурно- фазового складу зразків методою електронної мікроскопії, зразок #1 містить значну кількість фрактальних структур, частинок амо- рфного вуглецю з розміром до 500 нм, руркоподібні частинки дія- метром 200—300 нм і довжиною до 1 мкм, а також великі частинки (до 20 мкм) металу-каталізатора, також вкриті фрактальними утвореннями вуглецю. Зразок #2 містить значну кількість перекручених ниткоподіб- них утворень діяметром до 50 нм і довжиною до 1 мкм, вміст части- нок металу в ньому суттєво менший, ніж в зразку #1. Таким чином, структурно-фазовий склад зразків #1 та #2 є різним. Для вимірювання температурної залежности електроопору з поро- шків НВМ з додаванням зв’язувальної речовини (25% мас. полівіні- лацетату) були виготовлені методою холодного пресування зразки прямокутньої форми з лінійними розмірами 15 мм×3,05 мм×(0,9±0,1) мм. Вимірювання електричного опору проводилося стандартною чо- тиризондовою методою в інтервалі температур 4,2—293 К. Методика вимірювання електроопору детально описана в [9]. 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ На рисунку 2 наведено одержані експериментально температурні залежності електроопору зразків НВМ, а в табл. 1 подано основні параметри електроопору для них. Як випливає з рисунку та таблиці, для обох зразків спостеріга- ються значні зменшення питомого електроопору в температурному інтервалі від 4,2 до 50 К, при подальшому зростанні температури Рис. 1. Дифрактограми зразків НВМ. 386 Т. А. ЛЕНЬ, Л. Ю. МАЦУЙ, І. В. ОСВІЄНКО електроопір зменшується незначно. При цьому відношення ρ4.2/ρ293 для зразка #2 майже в два рази менше, ніж для зразка #1. Для встановлення кореляції між структурно-фазовим складом зразків НВМ, що досліджуються, та механізмами провідности в них проведемо детальну аналізу температурної залежности питомого електроопору для кожного зразка НВМ. Як випливає з даних структурно-фазової аналізи, НВМ, що дос- ліджується, являє собою складну гетеросистему, до складу якої входять впорядкована (багатостінні ВНР та нанографіт) та невпо- рядкована (аморфний вуглець) вуглецеві фази, а також частинки металу-каталізатору. Кожна з фаз, що присутні в НВМ, характери- зується своїм механізмом провідности. Для опису електрофізичних властивостей таких складних гете- росистем, що мають ділянки з різним типом провідности, був за- пропонований модель послідовних з’єднань ділянок з різним типом провідности. Даний модель передбачає, що кожна складова фаза НВМ характеризується ефективним опором із своєю температур- ною залежністю, причому, ефективні опори з’єднані послідовно. Такий модель вперше був запропонований для опису електроопору та термо-ерс невпорядкованого вуглецю в роботі [10]; аналогічний модель використовувався авторами в [11] для опису електроопору дефектних ВНР. Згідно з запропонованим модельом електроопір НВМ можна записати у наступному вигляді: 1 2 loc 3 disord( ) mT C C Cρ = ρ + ρ + ρ , (1) Рис. 2. Температурна залежність питомого електроопору для зразків #1 та #2. МЕХАНІЗМИ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІЯЛІВ 387 де ( )m T Tρ ∝ – металічний опір, ρdisord містить два доданки, що опи- сують опір невпорядкованої вуглецевої фази: ρdisord(T) = ρ1/4(T) + + ρ1/2(T). Для аморфних вуглеців характерною є стрибкова провід- ність із змінною довжиною стрибка. Такий же механізм провідности спостерігався рядом авторів для багатостінних дефектних ВНР. В режимі стрибкової провідности зі змінною довжиною стрибка для 3D системи опір залежить від температури за законом: 1/4 0 1/4 0( ) exp T T T ⎡ ⎤⎛ ⎞ρ = ρ ⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦ , (2) де ρ0 та Т0 – сталі величини, причому Т0 пов’язана із радіюсом льокалізації та густиною станів на Ферміївому рівні. При низь- ких температурах для таких матеріялів характерним є форму- вання Кульонової щілини; при цьому електроопір, згідно з моде- льом Ефроса—Шкловського, залежить від температури як 1/2 02 1/2 02 exp T T ⎡ ⎤⎛ ⎞ρ = ρ ⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦ , (3) де ρ02 та Т02 – також сталі величини. Другий доданок у формулі (1) ρloc пов’язаний з явищем слабкої льокалізації носіїв заряду у слабко впорядкованих системах. Аномальні температурні та польові зале- жності електроопору, пов’язані з проявом квантового ефекту слабкої льокалізації носіїв заряду, який спостерігався авторами для НВМ, що містять багатостінні ВНР, в [5, 6]. В запропонованому моделю пе- редбачається, що внесок опору кожної з фаз в загальний опір системи а б Рис. 3. Розраховані температурні залежності кожного з доданків електроо- пору для НВМ згідно з формулою (1): а– для зразка#1; б– для зразка #2. 388 Т. А. ЛЕНЬ, Л. Ю. МАЦУЙ, І. В. ОСВІЄНКО визначається відносним вмістом кожної з фаз, тому в формулі (1) присутні вагові коефіцієнти Сі, які відображають відносний вміст кожної з фаз. Відмітимо, що згідно з даними електронно-мікроско- пічних досліджень, жодна з фаз у НВМ, яка досліджується, зокрема метал-каталізатор в зразку #1, не утворюють неперервного кластеру через весь зразок. Враховуючи цей факт, а також те, що велична ρm(T) в (1) на декілька порядків менша, ніж інші доданки, в першому наближенні внеском першого доданку в (1) можна знехтувати. Використовуючи експериментальні дані температурної залежнос- ти електроопору були оцінені значення вагових коефіцієнтів С2 та С3 для обох зразків, які наведено в табл. Як випливає з таблиці, відно- шення вагових коефіцієнтів С2/С3 складає для зразка #1 0,024, а для зразка #2 – С2/С3 = 0,16. Таку ріжницю у співвідношенні вагових коефіцієнтів, що відповідають внеску різних механізмів провіднос- ти, можна трактувати таким чином: для зразка #2 прояв ефекту сла- бкої льокалізації (який є характерним для слабко впорядкованих систем) більш суттєвий, ніж для першого зразка, для якого основним механізмом провідности є стрибковий із змінною довжиною стрибка, що характерно для розупорядкованих систем. Таке твердження пов- ністю корелює з даними структурно-фазової аналізи, яка виявила, що в зразку #1 відносний вміст аморфного вуглецю суттєво більший, ніж в зразку #2, підданому термохемічному обробленню. Через використання оцінених значень вагових коефіцієнтів були розраховані температурні залежності кожного з доданків електроо- пору для обох зразків, які наведено на рис. 3. З рисунку 3 видно, що для зразка #1 величина доданку, що пов’язаний з ефектом слабкої льокалізації, суттєво менша за величину третього доданку, що пов’язаний з явищем стрибкової провідности. Для зразка #2 внесок доданку із розрахунків з формули (1), що характеризує явище слаб- кої льокалізації більш суттєвий, ніж величина доданку, що пов’язаний із стрибковою провідністю. Теоретично розраховані тем- пературні криві питомого електричного опору співпадають з експе- риментальними кривими опору для обох зразків, що є підтверджен- ням правильности вибору моделю послідовних з’єднань ділянок ефективних опорів з різним типом провідности. 4. ВИСНОВКИ Виконані експериментальні дослідження і теоретичні розрахунки ТАБЛИЦЯ. Зразок ρ293, Ом⋅м ρ4.2, Ом⋅м ρ4.2/ρ293 ρ0, Ом⋅м С2 С3 #1 1,83⋅10−2 1,96⋅10−1 10,73 0,196 −3,1⋅10−3 1,3⋅10−1 #2 2,22⋅10−3 1⋅10−2 4,52 2,4⋅10−3 −1⋅10Q1 6,3⋅10−1 МЕХАНІЗМИ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТИ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІЯЛІВ 389 показали, що опір НВМ визначається відносним співвідношенням фаз, що входять до складу НВМ. Для матеріялу, що має більший відносний вміст невпорядкованої вуглецевої фази характерним є стрибковий механізм провідности із змінною довжиною стрибка. Для НВМ, що містить у своєму складі в достатній кількості впоряд- ковану вуглецеву фазу, зокрема, багатостінні ВНР, прояв ефекту слабкої льокалізації носіїв струму, що є характерною для слабков- порядкованих систем, є більш суттєвим. Як показали розрахунки, запропонований модель послідовних з’єднань ефективних опорів з різним типом провідности для опису провідности добре описує про- відність НВМ з різним структурно-фазовим складом. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. Hiura, J. W. Bennet, H. F. Ghaemi, and T. Thio, Nature, 382: 54 (1996). 2. M. Shiraishi and M. Ata, Synth. Met., 128: 235 (2002). 3. B. Liu, B. Sundqvist, and O. Andersson, Sol. State Сommun., 118: 31 (2001). 4. S. N. Song, X. K. Wang, R. P. H. Chang, and J. B. Ketterson, Phys. Rev. Lett., 72, No. 5: 697 (1994). 5. R. Tarkianen, M. Ahlskog, and A. Zuizin, Phys. Rev. B, 69: 033402 (2004). 6. G. C. McIntosh, G. T. Kim, J. G. Park, V. Krstic, M. Burghard, S. H. Jhang, S. W. Lee, S. Roth, and Y. W. Park, Thin Solid Films, 417: 67 (2002). 7. T. A. Лень, І. В. Овсієнко, Л. Ю. Мацуй, А. І. Брусиловець, Л. М. Капітан- чук, Фізика і хімія твердого тіла, 6, № 4: 680 (2005). 8. I. V. Ovsiyenko, T. A. Len, L. Yu. Matzui, O. A. Golub, Yu. I. Prylutskyy, and P. Eklund, Materials Science and Engineering C, 26: 1180 (2006). 9. Л. Ю. Мацуй, Л. Л. Вовченко, І. В. Дворкіна, УФЖ, 40, №1—2: 107 (1995). 10. Л. Ю. Мацуй, Л. Л. Вовченко, И. В. Овсиенко, ФНТ, 26, вып. 1: 70 (2000). 11. A. B. Kaiser, G. U. Flanagan, D. M. Stewart, and D. Beagleholel, Synthetic Metals, 117: 67 (2001).

Механізми електропровідности композиційних матеріялів на основі вуглецевих нанорурок різного структурного складу

Institution

Similar Items