Ingen berøring:Forskere finder en kontaktløs måde at måle tykkelsen af ​​kulstof nanorørfilm

Forskere fra Skoltech og deres kolleger fra Rusland og Finland har fundet ud af en ikke-invasiv måde at måle tykkelsen af ​​enkeltvæggede kulstof nanorørfilm, som kan finde anvendelse inden for en lang række områder fra solenergi til smarte tekstiler. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

Et enkeltvægget carbon nanorør (SWCNT) er i det væsentlige et ark grafit på et atom tykt, som rulles ind i et rør. De er en allotrop (en fysisk form) af kulstof, meget som fullerener, grafen, diamant, og grafit. SWCNT'er lover meget i forskellige industrielle applikationer, lige fra solceller og LED'er til ultrahurtige lasere, gennemsigtige elektroder, og smarte tekstiler.

Alle disse applikationer, imidlertid, kræver ret præcise målinger af SWCNT-filmtykkelse og optiske egenskaber. "Filmtykkelse er ret vigtig for mange applikationer og normalt karakteriseret ved, hvor meget lys der kan overføres gennem filmen i det synlige spektralområde:jo højere gennemsigtighed, jo mindre er filmens tykkelse. Imidlertid, præcis kontrol over filmtykkelse og optiske konstanter er afgørende, når man skal designe effektive gennemsigtige elektroder. For eksempel, vi skal kende tykkelsen for at forbedre overfladens antirefleksegenskaber baseret på transparent SWCNT vindueslag til solceller. For at estimere og efterfølgende udnytte de mekaniske egenskaber af SWCNT-film, vi skal forudsige de geometriske dimensioner af filmene, " siger professor Albert Nasibulin, leder af Laboratory of Nanomaterials på Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials

Eksisterende metoder til målinger af optiske konstanter omfatter absorptions- og elektronenergitabsspektroskopier, mens geometriske parametre kan bestemmes ved transmissionselektronmikroskopi, scanningselektronmikroskopi eller atomkraftmikroskopi. Disse metoder er ressource-ineffektive og kræver prøveforberedelse, hvilket kan påvirke selve egenskaberne af SWCNT-film, som man forsøger at måle.

Et team af forskere ledet af Albert Nasibulin fra Skoltech og Aalto University var i stand til at designe en hurtig, kontaktløs, og universel teknik til nøjagtig estimering af både SWCNT-filmtykkelse og deres dielektriske funktioner. De fandt ud af en løsning for at bruge spektroskopisk ellipsometri (SE), en ikke-destruktiv, hurtig, og meget følsom måleteknik, til SWCNT-film.

"Ellipsometri er en indirekte metode, som vi kan bruge til at bestemme filmparametre, og standardmetoder til databehandling er ikke altid anvendelige her. Ved første øjekast, en tynd kulstofnanorørsfilm er et meget vanskeligt objekt for denne teknik:bestående af mange millioner tilfældigt orienterede individuelle og bundtede nanometerrør, det har stærk absorption i hele spektralområdet, lav refleksion og anisotropi i dets optiske egenskaber. Alligevel, avisens første forfatter, Georgy Ermolaev, en studerende på et fælles Skoltech-MIPT masterprogram, har fundet en elegant algoritme til at hente tykkelsen og de optiske konstanter i et enkelt sæt optiske målinger, " siger Yuriy Gladush, en af ​​avisens medforfattere.

Forskerne fremstillede SWCNT-film med varierende tykkelse og absorption mellem 90% og 45% ved 550 nm og bestemte bredbånds (250-3300 nm) brydningsindeks og tilsvarende tykkelse af filmene.

"Det var forventet, at optiske egenskaber ville afhænge af tætheden af ​​emballagen af ​​kulstofnanorørene i filmen, men overraskelsen lå i, hvor stor denne effekt er. En enkelt dråbe ethanol kan komprimere eller fortætte filmen og ændre brydningsindekset fra 1,07 til 1,7, åbner enkle muligheder for at justere de optiske egenskaber af SWCNT-filmene, " tilføjer Albert Nasibulin.

Holdet mener, at andre videnskabsmænd kan bygge videre på deres arbejde og, blandt andet, bruge deres tilgang ud over kulstofnanorørs område til andre former for disse strukturer.