Электромагнитные свойства композитной среды, образованной цепочками туннельно-связанных углеродных нанотрубок

  • Александр Владимирович Мельников Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-8202-0157
  • Михаил Владимирович Шуба Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия https://orcid.org/0000-0003-4828-7242
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-2-61-70

Аннотация

При создании модели композитной среды на основе углеродных нанотрубок в гигагерцевом и субтерагерцевом диапазонах частот необходимо учитывать туннельную связь между наночастицами. Чтобы упростить рассмотрение, представлена модель композитной среды с включениями из одинаковых случайно ориентированных прямолинейных цепочек, состоящих из последовательно соединенных через туннельные контакты сонаправленных металлических однослойных углеродных нанотрубок. Задача рассеяния электромагнитного излучения на таких цепочках решалась путем применения метода интегральных уравнений классической электродинамики и формализма Ландауэра – Буттикера для квантового транспорта. Показано, что электронное туннелирование между нанотрубками ведет к электромагнитным размерным эффектам в цепочках конечной длины. При этом в гигагерцевом диапазоне частот имеет место режим, при котором сравнимые по величине действительная и мнимая части эффективной диэлектрической проницаемости композитной среды убывают с увеличением частоты, что нередко обнаруживается в экспериментах. Установлено, что размерные эффекты могут проявляться в пределах малых участков цепочки, ограниченных контактами низкой проводимости. Результаты работы дают понимание физических механизмов, ответственных за частотную дисперсию диэлектрической проницаемости композитных материалов на основе углеродных нанотрубок.

Биографии авторов

Александр Владимирович Мельников, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории наноэлектромагнетизма

Михаил Владимирович Шуба, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия

доктор физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории наноэлектромагнетизма Института ядерных проблем БГУ, старший научный сотрудник лаборатории терагерцевых исследований Томского государственного университета.

Литература

  1. Yonglai Yang, Gupta MC, Dudley KL. Towards cost-efficient EMI shielding materials using carbon nanostructure-based nanocomposites. Nanotechnology. 2007;18(34):345701. DOI: 10.1088/0957-4484/18/34/345701.
  2. Ning Li, Yi Huang, Feng Du, Xiaobo He, Xiao Lin, Hongjun Gao, et al. Electromagnetic interference (EMI) shielding of single walled carbon nanotube epoxy composites. Nano Letters. 2006;6(6):1141–1145. DOI: 10.1021/nl0602589.
  3. Park SH, Thielemann P, Asbeck P, Bandaru PR. Enhanced dielectric constants and shielding effectiveness of, uniformly dispersed, functionalized carbon nanotube composites. Applied Physics Letters. 2009;94(24):243111. DOI: 10.1063/1.3156032.
  4. Bao WS, Meguid SA, Zhu ZH, Pan Y, Weng GJ. Effect of carbon nanotube geometry upon tunneling assisted electrical network in nanocomposites. Journal of Applied Physics. 2013;113(23):234313. DOI: 10.1063/1.4809767.
  5. Weibang Lu, Tsu-Wei Chou, Thostenson ET. A three-dimensional model of electrical percolation thresholds in carbon nano tube-based composites. Applied Physics Letters. 2010;96(22):223106. DOI: 10.1063/1.3443731.
  6. Isichenko MB. Percolation, statistical topography, and transport in random media. Reviews of Modern Physics. 1992;64(4): 961–1043. DOI: 10.1103/RevModPhys.64.961.
  7. Sandler JKW, Kirk JE, Kinloch IA, Shaffer MSP, Windle AH. Ultra-low electrical percolation threshold in carbon-nanotube-epoxy composites. Polymer. 2003;44(19):5893–5899. DOI: 10.1016/S0032-3861(03)00539-1.
  8. Fuhrer MS, Nygård J, Shih L, Forero M, Young-Gui Yoon, Mazzoni MSC, et al. Crossed nanotube junctions. Science. 2000; 288(5465):494–497. DOI: 10.1126/science.288.5465.494.
  9. Zhen Yao, Postma HWC, Balents L, Dekker C. Carbon nanotube intramolecular junctions. Nature. 1999;402(6759):273–276. DOI: 10.1038/46241.
  10. Slepyan GYa, Shuba MV, Maksimenko SA, Thomsen C, Lakhtakia A. Terahertz conductivity peak in composite materials containing carbon nanotubes: theory and interpretation of experiment. Physical Review B. 2010;81(20):205423. DOI: 10.1103/Phys RevB.81.205423.
  11. Shuba MV, Paddubskaya AG, Plyushch AO, Kuzhir PP, Slepyan GYa, Maksimenko SA, et al. Experimental evidence of localized plasmon resonance in composite materials containing single-wall carbon nanotubes. Physical Review B. 2012;85(16):165435. DOI: 10.1103/PhysRevB.85.165435.
  12. Shuba MV, Paddubskaya AG, Kuzhir PP, Maksimenko SA, Flahaut E, Fierro V, et al. Short-length carbon nanotubes as building blocks for high dielectric constant materials in the terahertz range. Journal of Physics D: Applied Physics. 2017;50(8):08LT01. DOI: 10.1088/1361-6463/aa5628.
  13. Shuba MV, Melnikov AV, Kuzhir PP, Maksimenko SA, Slepyan GY, Boag A, et al. Integral equation technique for scatterers with mesoscopic insertions: application to a carbon nanotube. Physical Review B. 2017;96(20):205414. DOI: 10.1103/PhysRevB.96.205414.
  14. Slepyan GYa, Maksimenko SA, Lakhtakia A, Yevtushenko O, Gusakov AV. Electrodynamics of carbon nanotubes: dynamic conductivity, impedance boundary conditions, and surface wave propagation. Physical Review B. 1999;60(24):17136–17149. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.17136.
  15. Kamenev A, Kohn W. Landauer conductance without two chemical potentials. Physical Review B. 2001;63(15):155304. DOI: 10.1103/PhysRevB.63.155304.
  16. Büttiker M, Imry Y, Landauer R, Pinhas S. Generalized many-channel conductance formula with application to small rings. Physical Review B. 1985;31(10):6207–6215. DOI: 10.1103/PhysRevB.31.6207.
  17. OdintsovAA, Tokura Y. Contact phenomena in carbon nanotubes. Physica B: Condensed Matter. 2000;284–288(part 2):1752–1753. DOI: 10.1016/S0921-4526(99)02920-8.
  18. Büttiker M, Prêtre A, Thomas H. Dynamic conductance and the scattering matrix of small conductors. Physical Review Letters. 1993;70(26):4114–4117. DOI: 10.1103/PhysRevLett.70.4114.
  19. Christen T, Büttiker M. Low frequency admittance of a quantum point contact. Physical Review Letters. 1996;77(1):143–146. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.143.
  20. Slepyan GYa, Shuba MV, Maksimenko SA, Lakhtakia A. Theory of optical scattering by achiral carbon nanotubes and their potential as optical nanoantennas. Physical Review B. 2006;73(19):195416. DOI: 10.1103/PhysRevB.73.195416.
  21. Melnikov AV, Kuzhir PP, Maksimenko SA, Slepyan GY, Boag A, Pulci O, et al. Scattering of electromagnetic waves by two crossing metallic single-walled carbon nanotubes of finite length. Physical Review B. 2021;103(7):075438. DOI: 10.1103/PhysRevB. 103.075438.
  22. Shuba MV, Melnikov AV, Paddubskaya AG, Kuzhir PP, Maksimenko SA, Thomsen C. Role of finite-size effects in the microwave and subterahertz electromagnetic response of a multiwall carbon-nanotube-based composite: theory and interpretation of experiments. Physical Review B. 2013;88(4):045436. DOI: 10.1103/PhysRevB.88.045436.
  23. Shuba M, Yuko D, Bychanok D, Liubimau A, Meisak D, Bochkov I, et al. Comparison of the electrical conductivity of polymer composites in the microwave and terahertz frequency ranges. In: 2017 IEEE International conference on microwaves, antennas, communications and electronic systems (COMCAS); 2017 November 13–15; Tel Aviv, Israel. [S. l.]: IEEE; 2017. p. 616–618. DOI: 10.1109/COMCAS.2017.8244754.
  24. Changshu Xiang, Yubai Pan, Jingkun Guo. Electromagnetic interference shielding effectiveness of multiwalled carbon nanotube reinforced fused silica composites. Ceramics International. 2007;33(7):1293–1297. DOI: 10.1016/j.ceramint.2006.05.001.
  25. Grimes CA, Mungle C, Kouzoudis D, Fang S, Eklund PC. The 500 MHz to 5.50 GHz complex permittivity spectra of single-wall carbon nanotube-loaded polymer composites. Chemical Physics Letters. 2000;319(5–6):460–464. DOI: 10.1016/S0009-2614(00)00196-2.
Опубликован
2021-05-21
Ключевые слова: углеродная нанотрубка, композитная среда, туннельная связь, диэлектрическая проницаемость, гигагерцевый диапазон частот
Поддерживающие организации Исследование выполнено при поддержке Программы повышения конкурентоспособности Томского государственного университета.
Как цитировать
Мельников, А. В., & Шуба, М. В. (2021). Электромагнитные свойства композитной среды, образованной цепочками туннельно-связанных углеродных нанотрубок. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 61-70. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-2-61-70
Выпуск
№ 2 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Наноматериалы и нанотехнологии

Copyright (c) 2021 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).