Влияние эффекта экранирования на частотную зависимость электропроводности композитного материала на основе углеродных нанотрубок

  • Михаил Владимирович Шуба НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Дмитрий Иванович Юко НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Дарья Николаевна Мейсак НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Ольга Викторовна Cедельникова Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия; Томский государственный университет, ул. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия
  • Михаил Андреевич Каныгин Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия
  • Александр Владимирович Окотруб Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия; Томский государственный университет, ул. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия

Аннотация

В терагерцовом и микроволновом диапазонах проводились измерения удельной электропроводности тонкой пленки и полимерных композитных материалов на основе одностенных углеродных нанотрубок. Показано, что частотная зависимость электропроводности тонкой пленки гораздо слабее таковой для композитного материала в диапазоне 30,0 ГГц – 1,5 ТГц. Электропроводность полимерного материала возрастает примерно в 2 раза при увеличении в нем весовой доли трубок в 10 раз (от 0,1 до 1,0 %). Проведено моделирование эффективной удельной электропроводности композитного материала, состоящего из углеродных нанотрубок, которые не взаимодействуют друг с другом. Для описания электромагнитного отклика агломератов углеродных нанотрубок последние моделировались сферическими частицами с такой же диэлектрической проницаемостью, как и у пленок из углеродных нано трубок. Обосновано, что основным эффектом, определяющим частотную зависимость реальных композитов, является экранирование полей как в отдельных нанотрубках, так и в их агломератах. Эффект агломерации значительно уменьшает электропроводность композитного материала и объясняет ее слабое изменение при многократном увеличении весовой доли включений.

Биографии авторов

Михаил Владимирович Шуба, НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; научный сотрудник лаборатории наноэлектромагнетизма

Дмитрий Иванович Юко, НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь

ведущий инженер-программист лаборатории наноэлектромагнетизма

Дарья Николаевна Мейсак, НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь

стажер младшего научного сотрудника лаборатории наноэлектромагнетизма

Ольга Викторовна Cедельникова, Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия; Томский государственный университет, ул. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН; старший научный сотрудник лаборатории терагерцовых исследований Томского государственного университета

Михаил Андреевич Каныгин, Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия

кандидат физико-математических наук; научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов

Александр Владимирович Окотруб, Институт неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 3, 630090, г. Новосибирск, Россия; Томский государственный университет, ул. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия

доктор физико-математических наук; заведующий лабораторией физикохимии наноматериалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН; старший научный сотрудник лаборатории терагерцовых исследований Томского государственного университета

Литература

  1. Slepyan G. Y., Maksimenko S. A., Lakhtakia A., et al. Electrodynamics of carbon nanotubes: Dynamic conductivity, impedance boundary conditions, and surface wave propagation. Phys. Rev. B. 1999. Vol. 60, issue 24. P. 17136–17149. DOI: 10.1103/ PhysRevB.60.17136.
  2. Maksimenko S. A., Slepyan G. Ya. Electromagnetic fields in unconventional materials and structures. New York : Wiley, 2000. P. 217–255.
  3. Hanson G. Fundamental transmitting properties of carbon nanotube antennas. IEEE Trans. Antenn. Propagat. 2005. Vol. 53, issue 11. P. 3426–3435. DOI: 10.1109/TAP.2005.858865.
  4. Slepyan G.Ya., Shuba M. V., Maksimenko S. A., et al. Theory of optical scattering by achiral carbon nanotubes and their potential as optical nanoantennas. Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73, issue 19. Article ID: 195416. DOI: 10.1103/PhysRevB.73.195416.
  5. Shuba M. V., Melnikov A. V., Paddubskaya A. V., et al. The role of finite size effects in the microwave and sub-terahertz electromagnetic response of multiwall carbon nanotube based composite: theory and interpretation of experiment. Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88, issue 4. Article ID: 045436. DOI: 10.1103/PhysRevB.88.045436.
  6. Shuba M. V., Slepyan G. Y., Maksimenko S. A., et al. Radiofrequency field absorption by carbon nanotubes embedded in a conductive host. J. Appl. Phys. 2010. Vol. 108, issue 11. Article ID: 114302. DOI: 10.1063/1.3516480.
  7. Reich S., Thomsen C., Maultzsch J. Carbon Nanotubes: Basic Concepts and Physical Properties. New York : Wiley, 2004. DOI: 10.1002/9783527618040.
  8. Shuba M. V., Paddubskaya A. G., Kuzhir P. P., et al. Experimental evidence of localized plasmon resonance in composite materials containing single-wall carbon nanotubes. Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85, issue 16. Article ID: 165435. DOI: 10.1103/PhysRevB.85.165435.
  9. Shuba M. V., Paddubskaya A. G., Kuzhir P. P., et al. Observation of the microwave near-field enhancement effect in suspensions comprising single-walled carbon nanotubes. Mater. Res. Express. 2017. Vol. 4, No. 7. Article ID: 075033. DOI: 10.1088/20531591/aa78e1.
  10. Andreev A. S., Kazakova М. A., Ishchenko A. V., et al. Magnetic and dielectric properties of carbon nanotubes with embedded cobalt nanoparticles. Carbon. 2017. Vol. 114. P. 39–49. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.11.070.
  11. Almond D. P., West A. R. Impedance and modulus spectroscopy of «real» dispersive conductors. Solid State Ion. 1983. Vol. 11. P. 57–64. DOI: 10.1016/0167-2738(83)90063-2.
  12. Potschke P., Dudkin S. M., Alig I. Dielectric spectroscopy on melt processed polycarbonated multiwalled carbon nanotube composites. Polymer. 2003. Vol. 44. P. 5023–5030. DOI: 10.1016/S0032-3861(03)00451-8.
  13. Slepyan G. Y., Shuba M. V., Maksimenko S. A., et al. Terahertz conductivity peak in composite materials containing carbon nanotubes: Theory and interpretation of experiment. Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81, issue 20. Article ID: 205423. DOI: 10.1103/PhysRevB.81.205423.
  14. Shuba M. V., Paddubskaya A., Kuzhir P. P., et al. Short-length carbon nanotubes as building blocks for high dielectric constant materials in the terahertz range. J. Phys. D. 2017. Vol. 50, No. 8. Article ID: 08LT01. DOI: 10.1088/1361-6463/aa5628.
  15. Kazakova M. A., Kuznetsov V. L., Semikolenova N. V., et al. Comparative study of multiwalled carbon nanotube/polyethylene composites produced via different techniques. Phys. Stat. Sol. B. 2014. Vol. 251, issue 12. P. 2437–2443. DOI: 10.1002/pssb.201451194.
  16. Kranauskaite I., Macutkevic J., Banys J., et al. Length-dependent broadband electric properties of PMMA composites filled with carbon nanotubes. Phys. Stat. Sol. A. 2016. Vol. 213, issue 4. P. 1025–1033. DOI: 10.1002/pssa.201532289.
  17. Gavrilov N., Okotrub A., Bulusheva L., et al. Dielectric properties of polystyrene/onion-like carb on composites in frequency range of 0.5–500 kHz. Compos. Sci. Technol. 2010. Vol. 70, No. 5. P. 719–724. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.12.026.
  18. Standard test method for measuring relative complex permittivity and relative magnetic permeability of solid materials at micro wave frequencies : An American National Standard, designation D5568-08. 2009.
  19. Chung B. K. Dielectric constant measurement for thin material at microwave frequencies. Prog. Electromagn. Res. 2007. Vol. 75. P. 239–252. DOI: 10.2528/PIER07052801.
  20. Akima N., Iwasa Y., Brown S., et al. Strong anisotropy in the far-infrared absorption spectra of stretch-aligned single-walled carbon nanotubes. Adv. Mater. 2006. Vol. 18, issue 9. P. 1166–1169. DOI: 10.1002/adma.200502505.
Опубликован
2018-04-30
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, композитные материалы, микроволновая и терагерцовая электропроводность
Как цитировать
Шуба, М. В., Юко, Д. И., Мейсак, Д. Н., CедельниковаО. В., Каныгин, М. А., & Окотруб, А. В. (2018). Влияние эффекта экранирования на частотную зависимость электропроводности композитного материала на основе углеродных нанотрубок. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 80-87. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/564
Раздел
Физика конденсированного состояния