Электротранспортные свойства углеродной наноструктуры, полученной методом усиленного плазмой химического осаждения из газовой фазы, при термоциклировании

  • Алексей Алексеевич Максименко Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-2660-8105
  • Ерика Раяцкайте Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва
  • Шарунас Мешкинис Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва https://orcid.org/0000-0001-9622-7573
  • Томас Тамулевичюс Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва
  • Сигитас Тамулевичюс Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва https://orcid.org/0000-0002-9965-2724
  • Андрей Андреевич Харченко Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный педагогический университет им. Максима Танка, ул. Советская, 18, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-7274-1380
  • Александр Кириллович Федотов Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-7008-847X
  • Юлия Александровна Федотова Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-4471-0552
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-89-96

Аннотация

Исследованы структура и электропроводность образцов углеродных слоев нанографита, выращенных методом химического осаждения из газовой фазы, усиленного микроволновой плазмой (PECVD), на установке компании IPLAS Innovative Plasma Systems GmbH (Германия). Образцы выращивались на подложках из плавленого кварца при времени осаждения 20 и 40 мин соответственно. Исследование сформированных слоев нанографита методами комбинационного рассеяния света и сканирующей электронной микроскопии показало, что поверхность образца нанографита, осаждавшегося 20 мин, покрыта большим количеством не связанных между собой зародышей вертикального графена со средними размерами менее 10 нм. Увеличение времени роста до 40 мин приводит к увеличению размеров зародышей до 20–30 нм, однако их перекрытия не происходит. Это подтверждает, что образцы соответствуют начальным стадиям формирования вертикального графена на выращенных слоях нанографита и перколяционная структура в них отсутствует. На полученных образцах были исследованы температурные зависимости слоевого электрического сопротивления на постоянном токе в диапазоне 4 –300 К и влияние на них числа циклов N охлаждение – нагрев (300 К – 2 К – 300 К) в атмосфере газообразного гелия, а также изменения атмосферы хранения образцов (путем их помещения в воздушную среду после отогрева до комнатной температуры). Обнаружено, что слоевое электрическое сопротивление образца, осаждавшегося в течение 20 мин, весьма чувствительно к двум технологическим параметрам измерения – числу циклов N и изменению атмосферы хранения после отогрева. Это проявилось в том, что после четырех циклов охлаждение – нагрев и одной смены атмосферы (гелий – воздух – гелий) после отогрева сопротивление увеличилось более чем на 20 %, достигнув насыщения. Сопротивление образца, осаждавшегося в течение 40 мин, показывало меньшую чувствительность при термоциклировании, увеличиваясь не более чем на 10 %. Эффект влияния термоциклирования связывается с перестройкой дефектов, образовавшихся на границах зерен в слое нанографита, а в случае смены атмосферы – с пассивированием оборванных связей атмосферными газами.

Биографии авторов

Алексей Алексеевич Максименко, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов

Ерика Раяцкайте, Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва

аспирантка

Шарунас Мешкинис, Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва

кандидат физико-математических наук; главный научный сотрудник, заведующий лабораторией исследований вакуума и плазменных процессов

Томас Тамулевичюс, Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва

кандидат физико-математических наук; главный научный сотрудник

Сигитас Тамулевичюс, Институт материаловедения Каунасского технологического университета, ул. К. Баршауско, 59, LT-51423, г. Каунас, Литва

доктор физико-математических наук, профессор; директор

Андрей Андреевич Харченко, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный педагогический университет им. Максима Танка, ул. Советская, 18, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов Института ядерных проблем БГУ; доцент кафедры физики и методики преподавания физики физико-математического факультета Белорусского государственного педагогического университета им. Максима Танка

Александр Кириллович Федотов, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов

Юлия Александровна Федотова, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук; заместитель директора по международному научно-техническому сотрудничеству, заведующий лабораторией физики перспективных материалов

Литература

  1. Ferrari AC, Bonaccorso F, Fal’ko V, Novoselov KS, Roche S, Bøggild P, et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems. Nanoscale. 2015;7(11):4598–4810. DOI: 10.1039/C4NR01600A.
  2. Liu Y, Liu Z, Lew WS, Wang QJ. Temperature dependence of the electrical transport properties in few-layer graphene interconnects. Nanoscale Research Letters. 2013;8(1):335. DOI: 10.1186/1556-276X-8-335.
  3. Neto AHC, Guinea F, Peres NMR, Novoselov KS, Geim AK. The electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics. 2009;81(1):109–162. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109.
  4. Novoselov KS, McCann E, Morozov SV, Fal’ko VI, Katsnelson MI, Zeitler U, et al. Unconventional quantum Hall effect and Berry’s phase of 2π in bilayer graphene. Nature Physics. 2006;2:177–180. DOI: 10.1038/nphys245.
  5. Cao Y, Fatemi V, Fang S, Watanabe K, Taniguchi T, Kaxiras E, et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. 2018;556:43–50. DOI: 10.1038/nature26160.
  6. Ghosh S, Ganesan K, Polaki ShR, Ravindran TR, Krishna NG, Kamruddin M, et al. Evolution and defect analysis of vertical graphene nanosheets. Journal of Raman spectroscopy. 2014;45(8):642–649. DOI: 10.1002/jrs.4530.
  7. Hiramatsu M, Kondo H, Hori M. Graphene nanowalls [Internet]. 2013 March 27 [cited 2020 July 17]. Available from: https:// www.intechopen.com/books/new-progress-on-graphene-research/graphene-nanowalls. DOI: 10.5772/51528.
  8. Behura SK, Mukhopadhyay I, Hirose A, Yang Q, Jani O. Vertically oriented few‐layer graphene as an electron field‐emitter. Physica Status Solidi A. Applications and Materials Science. 2013;210(9):1817–1821. DOI: 10.1002/pssa.201329172.
  9. Yue Z, Levchenko I, Kumar Sh, Seo Do, Wang X, Dou Sh, et al. Large networks of vertical multi-layer graphenes with morphology-tunable magnetoresistance. Nanoscale. 2013;5(19):9283–9288. DOI: 10.1039/C3NR00550J.
  10. Ghosh S, Ganesan K, Polaki SR, Mathews T, Dhara S, Kamruddin M, et al. Influence of substrate on nucleation and growth of vertical graphene nanosheets. Applied Surface Science. 2015;349:576–581. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.05.038.
  11. Zhao J, Shaygan M, Eckert J, Meyyappan M, Rümmeli MH. A growth mechanism for free-standing vertical graphene. Nano Letters. 2014;14(6):3064–3071. DOI: 10.1021/nl501039c.
  12. Rajackaitė E, Peckus D, Gudaitis R, Andrulevičius M, Tamulevičius T, Volyniuk D, et al. Transient absorption spectroscopy as a promising optical tool for the quality evaluation of graphene layers deposited by microwave plasma. Surface and Coatings Technology. 2020;395:1–14. Article ID: 125887. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125887.
Опубликован
2020-10-07
Ключевые слова: углеродные структуры, вертикальный графен, электрическое сопротивление, термоциклирование, химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
Поддерживающие организации Авторы выражают благодарность И. А. Свито за проведение электротранспортных измерений. Работа финансировалась в рамках государственной программы научных исследований «Фотоника, оптои микроэлектроника» (задание 3.3.04) и контракта № 08626319/20553435-74 с Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна, Россия).
Как цитировать
Максименко, А. А., Раяцкайте, Е., Мешкинис, Ш., Тамулевичюс, Т., Тамулевичюс, С., Харченко, А. А., Федотов, А. К., & Федотова, Ю. А. (2020). Электротранспортные свойства углеродной наноструктуры, полученной методом усиленного плазмой химического осаждения из газовой фазы, при термоциклировании. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 89-96. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-89-96
Выпуск
№ 3 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).