Оптоэлектронные свойства слоев одностенных углеродных нанотрубок и методы создания прозрачных текстурированных электродов на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Воробьев Александр Андреевич

• Воробьев Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Воробьев Александр Андреевич

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Прозрачные проводящие электроды

1.1 Сравнение характеристик прозрачных проводящих электродов

1.2 Прозрачные проводящие электроды на основе углеродных нанотрубок

1.3 Текстурирование слоев одностенных углеродных нанотрубок

1.4 Массивы случайно ориентированных слоев одностенных углеродных нанотрубок

1.5 Методы определения длины одностенных углеродных нанотрубок

1.6 Эластичные оптоэлектронные устройства

1.7 Эластичные электроды на основе одностенных углеродных нанотрубок

1.8 Выводы к Главе 1 и постановка задач

Глава 2. Методы исследования

2.1 Синтез слоев ОУНТ

2.2 Метод сухого механического трансфера

2.3 Формирование текстурированного электрода

2.4 Оптическая спектроскопия

Глава 3. Модификация оптических и электронных свойств случайно ориентированных массивов жгутов одностенных углеродных нанотрубок

3.1 Характеризация оптических свойств и морфологии массива ОУНТ

3.2 Описание метода DFT для расчета электронных и оптических свойств жгутов

3.4 Энергетическая структура жгутов полупроводниковых и

квазиметаллических (qm-) ОУНТ

3.5 Энергетические структуры «оптимально уплотненных» жгутов ОУНТ

3.6 Расчеты оптических спектров TDDFT жгутов полупроводниковых и квазиметаллических ОУНТ

3.7 Спектры пропускания массива ОУНТ

3.8 Поверхностное сопротивление массива ОУНТ

3.9 Выводы к Главе

Глава 4 Определение средней длины жгутов в случайно ориентированном массиве одностенных углеродных нанотрубок

4.1 Описание модели проводимости случайно ориентированного массива ОУНТ

4.2 Численная модель проводимости массива ОУНТ

4.3 Измерение проводимости слоев ОУНТ методом TLM

4.4 Выводы к Главе

Глава 5. Оптимизация оптоэлектронных свойств слоев одностенных углеродных нанотрубок путем текстурирования

5.1 Теоретический расчет эффективности (FoM)

5.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния слоев ОУНТ

5.3 Спектроскопия оптического пропускания слоев ОУНТ

5.4 Электрические измерения слоев ОУНТ

5.5 Оптоэлектрические характеристики текстурированных слоев ОУНТ

5.6 Выводы к Главе

Глава 6. Эластичные электроды на основе одностенных углеродных нанотрубок

6.1 Растяжимые матричные электроды на основе ОУНТ

6.2 Оптические и электрические характеристик растяжимых матричных

электродов на основе ОУНТ

6.3 Методика изготовления растяжимых мембран на основе ОУНТ электродов и массива ННК n-GaP/ПДМС

6.4 Выводы к Главе

Глава 7. Растяжимые прозрачные светодиоды на основе нитевидных микрокристаллов с квантовыми ямами InGaN/GaN и электродов из одностенных углеродных нанотрубок

7.1 Синтез массива НМК InGaN/GaN

7.2 Изготовление мембран ПДМС/НМК

7.3 Создание растяжимых контактов из ОУНТ

7.4 Исследование электрических характеристик растяжимого электрода из ОУНТ

7.5 Исследование пропускания СИД-мембраны

7.6 Исследование электрических свойств СИД-мембраны

7.7 Измерения спектров электролюминесценции СИД-мембраны

7.8 Выводы к Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список используемой литературы

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптоэлектронные свойства слоев одностенных углеродных нанотрубок и методы создания прозрачных текстурированных электродов на их основе»

Актуальность темы

Развитие оптоэлектроники и технологии создания фотонных устройств диктует новые задачи по созданию прозрачных проводящих электродов. Прозрачные электроды находят применение в солнечных элементах, фото- и светоизлучающих диодах, сенсорных дисплеях, «умных» окнах и др. Высокое оптическое пропускание и низкое электрическое сопротивление - главные критерии, которые предъявляются к таким электродам. Высокая прозрачность позволяет увеличить поглощение света в активной области оптоэлектронного прибора или, наоборот, уменьшить оптические потери в светоизлучающих устройствах. В конечном счете, прозрачность и сопротивление определяют быстродействие и энергоэффективность оптоэлектронного устройства.

В настоящее время наиболее широко используемыми электродами являются прозрачные проводящие покрытия оксидов металлов, в частности, оксид индия олова (1ТО). Это обусловлено их низким удельным сопротивлением, высоким коэффициентом пропускания в видимой области спектра. Типичное значение поверхностного сопротивления для коммерческого ГГО составляет 14 Ом/кв при прозрачности 86 % (Т) [1]. Тем не менее, ГГО имеет ряд недостатков. Индий, являющийся основой (ГТО) - ограниченный природный ресурс, что определяет высокую цену 1ТО [2]. Для достижения низкого сопротивления необходим высокотемпературный отжиг ГГО. Кроме того, 1ТО хрупок и не переносит пластических деформаций, что существенно ограничивает его применение, особенно в гибких приложениях.

Существуют и другие материалы, которые применяются в качестве прозрачных электродов. К ним относятся нанопровода и нановолокна Си и Ag (Т = 90%, Rs = 3 Ом/кв) [3], оксид цинка, легированный алюминием и галлием (Т = 8590%, Rs> 100 Ом/кв) [4,5], проводящие полимеры, такие как PEDOT:PSS (Т = 90%, Rs>100 Ом/кв) [6], сетки из металла (Т = 90%, Rs = 4-8 Ом/кв) [7,8], графен (Т = 80%,

Rs = 850 Ом/кв) [9], многостенные (Т = 81% Rs = 180 Ом/кв) [10] и одностенные (ОУНТ) (Т = 90%, Rs > 40 Ом/кв) [11] углеродные нанотрубки и др. Многие из рассмотренных выше материалов обладают оптоэлектронными свойствами, которые сопоставимы или превосходят параметры 1ТО.

Однако применение этих материалов ограничено рядом факторов. Нанопроволоки и оксиды, легированные металлами, окисляются в условиях окружающей среды. PEDOT:PSS также подвержен быстрой деградации. Другие проводящие полимеры могут иметь лучшую гибкость, чем 1ТО, но обычно их электропроводность, стабильность и растяжимость ограничивают их использование [12]. Металлические сетки имеют высокую шероховатость поверхности и не подходят для сбора носителей в материалах с низким значением временем жизни носителей. Электроды из графена на сегодняшний день имеют достаточно высокое удельное сопротивление. Кроме того, остается проблема масштабирования технологии с использованием графена, на большие площади с малым количеством дефектов. В последнее время начали развиваться гибридные электроды на основе упомянутых материалов, что в конечном итоге может улучшить характеристики электродов [13].

Среди описанных выше материалов можно выделить ОУНТ, которые имеют хорошую оптическую прозрачность в широком спектральном диапазоне, от видимого до ближнего инфракрасного, а также высокую электропроводность [1416]. Механическая упругость УНТ превышает стойкость 1ТО и обеспечивает гибкость для создания гибких устройств [17]. Прогресс технологии изготовления слоев ОУНТ методов химического осаждения из газовой фазы (АХОГФ) позволил создавать дешевые слои больших площадей с управляемыми параметрами. Основными преимуществами этого метода являются высокая чистота и однородность ОУНТ, что приводит к выдающимся оптоэлектронным и механическим свойствам получаемых слоев [18], совместимыми с обычными соединениями и новыми гибкими материалами для различных применений.

Углеродные нанотрубки находят свое применение в качестве прозрачного контакта для различных устройств оптоэлектроники. В работах [19-22] приводятся

сведения об изготовлении различных солнечных элементов, включая органо-неорганические перовскитные солнечные элементы с электродами из углеродных нанотрубок. Также в работах [23-25] УНТ были использованы в качестве анодов для органических светоизлучающих диодов (OLED). Коэффициент полезного действия по току светодиода с УНТ близок к эффективности OLED на основе ITO. Сообщается и об использовании ОУНТ-электродов в GaN светодиодах [26,27].

На сегодняшний день сопротивление и пропускание слоев ОУНТ еще не сопоставимы с ITO. Следовательно, крайне важно исследовать возможности улучшения характеристик ОУНТ-электродов. Как правило, увеличение коэффициента пропускания слоя достигается за счет увеличения его сопротивления. Одним из способов улучшения свойств прозрачного электрода является текстурирование, то есть формированием рисунка в сплошном слое ОУНТ. Текстурированный рисунок на поверхности слоя ОУНТ повышает прозрачность имеющегося слоя, что позволяет уменьшить оптические потери без ухудшения токосбора. Благодаря сочетанию уникальных свойств ОУНТ могут выступить в качестве хорошей альтернативы используемым в настоящее время электродам в солнечных элементах и светоизлучающих диодах. Таким образом, создание текстуры из слоя ОУНТ, является перспективной технологией, позволяющей найти оптимум между необходимой проводимостью и прозрачностью слоя ОУНТ.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование оптоэлектронных свойств слоев одностенных углеродных нанотрубок и развитие методов создания прозрачных текстурированных электродов на их основе.

Задачи работы:

1. Разработать технологию создания текстурированных электродов из слоев одностенных углеродных нанотрубок на жестких и эластичных носителях.

2. Исследовать оптоэлектрические характеристики созданных электродов

различными методами, включающие измерение вольт-амперных характеристик и спектральных измерений в видимой и инфракрасной областях.

3. Исследовать влияние уплотнения слоев одностенных углеродных нанотрубок на электрофизические и оптические свойства на микроскопическом уровне (энергетическая структура и механизм проводимости).

4. Предложить модели, описывающие проводимость случайно ориентированного массива ОУНТ и метода определения средней длины жгутов.

Методы исследования

В диссертационной работе проведены исследования текстурированных прозрачных электродов и уплотненных слоев на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок, а также эластичных мембран на основе нитевидных нанокристалов п^аР и нитевидных микрокристалов InGaN/GaN с электродами из слоев одностенных углеродных нанотрубок. Для решения поставленных задач были измерены вольт-амперные характеристики, оптические спектры в видимом и инфракрасном диапазонах, спектры электролюминесценции, получены растровые электронные и просвечивающие электронные изображения поверхности структур, а также определены свойства структур методами спектроскопии комбинационного рассеяния.

Научная новизна работы

1. Используя теоретические расчеты совместно с экспериментальными исследованиями, было выявлено влияние плотности уплотнения нанотрубок в жгуте, на оптические и электронные свойства массива ОУНТ и впервые сделан вывод, что проводимость массивов ОУНТ определяется свойствами жгутов, а не отдельных нанотрубок.

2. Разработана аналитическая модель, описывающая зависимость сопротивления массива ОУНТ от расстояния между контактами для различных геометрических и электрических параметров жгутов, которая может быть использована для простой и быстрой оценки средней длины случайно

ориентированных проводников в массиве.

3. Разработана технология создания текстурированных электродов на основе слоев ОУНТ с использованием комбинации оптической лазерной литографии и сухого плазмохимического травления в кислородной плазме.

4. Экспериментально показано, что текстурирование является одним из возможных подходов для улучшения оптоэлектрических характеристик прозрачных проводящих электродов.

5. Предложена аналитическая модель, предсказывающая коэффициент пропускания и электрическое сопротивление текстурированных слоев ОУНТ и продемонстрировано соответствие теоретических расчетов экспериментальным результатам.

6. Впервые показано, что текстурированные слои ОУНТ с низким начальным коэффициентом пропускания и высокой проводимостью могут иметь более высокий коэффициент эффективности ^оМ) по сравнению со сплошными слоями ОУНТ.

7. Разработана технология создания эластичных матричных электродов на основе ОУНТ/ПДМС с подводящими дорожками в виде меандров, которые впервые были применены в структурах на основе массива п-легированных GaP ННК и InGaN/GaN НМК.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Теоретически показано влияние плотности уплотнения нанотрубок в жгуте, на оптические и электронные свойства массива ОУНТ.

2. Предложена модель, предсказывающая коэффициент пропускания и электрическое сопротивление формируемых текстурированных слоев ОУНТ.

3. Предложена модель, описывающая зависимость сопротивления массива ОУНТ от расстояния между контактами для различных геометрических и электрических параметров.

4. Разработана технология создания текстурированных электродов на основе слоев ОУНТ с использованием комбинации оптической лазерной

литографии и сухого плазмохимического травления в кислородной плазме.

5. Разработана технология создания эластичных матричных электродов на основе ОУНТ/ПДМС с подводящими дорожками в виде меандров

6. Разработана технология создания эластичных матричных электродов на основе ОУНТ/ПДМС, а также их применение в структурах на основе массива п-легированных GaP ННК.

7. Разработана технология создания светоизлучающей мембраны на основе вертикального массива НМК с КЯ InGaN/GaN со структурой «ядро-оболочка», инкапсулированных в ПДМС и устойчивыми к деформации прозрачными электродами из слоев ОУНТ.

Положения, выносимые на защиту

1. В случайно ориентированном массиве, состоящего из смеси полупроводниковых и квазиметаллических ^т-) одностенных углеродных нанотрубок при их сближении и образовании жгутов, массив приобретает квазиметаллический характер проводимости в связи с уменьшением энергетических барьеров/ширины запрещенной зоны до значений менее 25 мэВ в направлениях перпендикулярном оси нанотрубок.

2. Предложена методика определения длины жгутов случайно ориентированного массива углеродных нанотрубок, основанная на измерениях сопротивления массива методом длинных линий. Разработанная методика была экспериментально проверена на массиве случайно ориентированных одностенных углеродных нанотрубок толщиной 9 нм и прозрачностью 95%.

3. Предложена технология создания текстурированных слоев одностенных углеродных нанотрубок из сплошных слоев. Текстурированные слои с прозрачностью 95% созданные из сплошных слоев одностенных углеродных нанотрубок с начальной прозрачностью ниже 20% имели сопротивлений ниже, чем у сплошных слоев с прозрачностью равной 95%.

4. Электроды с подводящими дорожками в виде меандров шириной 100 мкм и периодом 800 мкм на основе одностенных углеродных нанотрубок и

полидиметилсилоксана при растяжении на величину 10% в течение 500 циклов увеличивают сопротивление не более чем на 5%.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- международная конференция ФизикА. СПб 2020 г., Санкт-Петербург, Россия,

2020 г.;

- международная конференция "METANANO 2020", 2020 г (online);

- международная конференция "METANANO 2021", 2021 г (online);

- международная конференция ФизикА. СПб 2021 г., Санкт-Петербург, Россия,

2021 г.;

- международная школа-конференция "Saint-Petersburg OPEN 2021", г. Санкт-Петербург, Россия, 2021 г.

Достоверность научных достижений полученных результатов и выводов, обеспечивается использованием широкого спектра современных экспериментальных методов и оборудования, результаты экспериментальных измерений многократно воспроизводились для серии образцов, анализом применимости теоретических расчетов, используемых для обработки результатов измерений, согласование измерений между собой, с теоретическими расчетами и литературными данными, полученными другими авторами по тематике исследования.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в научном обосновании целей и постановке задач исследования, разработке методологии их решения, анализе и систематизации экспериментальных данных, выполнении всех этапов постростовой обработки при создании текстурированных электродов из слоев ОУНТ, а также их подготовка и проведение электрофизических и оптическим

измерениям. Интерпретация теоретических и экспериментальных данных проведена лично автором или совместно с соавторами. Формулировка основных выводов работы. Все вошедшие оригинальные результаты получены либо автором диссертации, либо при его непосредственном участии. Слои одностенных углеродных нанотрубок были предоставлены Сколковским институтом науки и технологий. При участии автора и Павловым А.В. были выполнены DFT расчеты.

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 9 научных работах, индексируемых Web of Science или Scopus и соответствующих требованиям ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 145 наименований. Текст работы изложен на 239 страницах, содержит 13 формул, 70 рисунков, 2 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы, дана оценка научной и практической значимости.

Первая глава работы «Прозрачные проводящие электроды» содержит обзор литературных данных по прозрачным проводящим электродам, основным особенностям углеродных нанотрубок и их применения, а также гибким оптоэлектронным устройствам.

Во второй главе «Методы исследования» описаны экспериментальные методики получения и исследования свойств слоев углеродных нанотрубок, технологий пост-ростовой обработки, включающих технологию переноса и формирование текстурирования текстуры в слоях углеродных нанотрубок.

В третьей главе «Модификация оптических и электронных свойств случайно ориентированных массивов жгутов одностенных углеродных нанотрубок» представлены результаты по характеризации оптических свойств и морфологии поверхности ОУНТ, а также влияния плотности упаковки ОУНТ в жгутах на оптические и электронные свойства случайно ориентированных массивов ОУНТ.

Согласно полученным оптическим и рамановским спектрам, ОУНТ имели распределение по диаметру со средним значением порядка 2 нм и обладали высоким качеством структуры чему свидетельствовало высокого отношение интенсивности G-моды (1о) к интенсивности D-моды (1в), 1о/Ъ> 10. Это позволило оценить диаметры отдельных ОУНТ, которые варьировались от 0,9 до 3 нм. Эти данные соответствуют типичным диаметрам отдельных ОУНТ [28].

Для характеризации морфологии массивов ОУНТ применялись методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) а также методы сканирующей гелиевой ионной микроскопии (СГИМ). Это позволило получить изображения высокого разрешения, которые показали, что массив состоит не из отдельных ОУНТ, а их перепрелетений — жгутов.

На рисунке 1 представлены типичные изображения массивов и отдельных жгутов ОУНТ, полученных с помощью просвечивающей и гелиевой ионной микроскопии. Типичный диаметр ОУНТ, оцененный по данным оптических и рамановских измерений, составил порядка 2,1 нм. Однако согласно ТЭМ-изображениям, массивы ОУНТ состояли из случайно ориентированных жгутов ОУНТ диаметром 5-50 нм, а не отдельных нанотрубок (см. рис. 1а), а расстояние между плотно упакованными ОУНТ в жгутах может превышать несколько нанометров (см. рис. 1б). Более того, СГИМ-изображения показали, что жгуты имели множество пересечений на субмикронном расстоянии друг от друга (рис. 1с). Жидкостная химическая обработка или высокотемпературный нагрев после процесса синтеза [29] приводят к агрегации ОУНТ в жгуты и их уплотнению [30,31] под действием капиллярных и ван-дер-Ваальсовых сил, что может повлиять на их оптоэлектронные свойства.

Рисунок 1. (а) ПЭМ-изображение массива жгутов ОУНТ и (Ь) увеличенное ПЭМ-изображение поперечного сечения жгута ОУНТ. (с) СГИМ-изображение массива

ОУНТ с пересечениями жгутов.

Жгуты ОУНТ могут состоять из одного типа нанотрубок или смеси различных типов: металлическими (т-), квазиметаллическими ^т-) или полупроводниковыми Для определения электронных и оптических свойств жгутов ОУНТ были использованы DFT-расчеты [32,33]. На рисунке 2 представлена зависимость энергии взаимодействия на единичную длину нанотрубки от расстояния d между ОУНТ. Для всех трех типов жгутов ОУНТ зависимости

показывают минимумы при значении d порядка 3,2 А и приближаются к нулю свыше 6 А. Таким образом, в дальнейшем анализе жгуты с расстоянием между нанотрубками порядка 3,2 А будут называться: «оптимально уплотненными», в то время как системы с d = 6 А и больше: «неуплотненными».

Рисунок 2. Зависимость энергии взаимодействия на единичную длину нанотрубки от расстояния d в жгутах, содержащих различные типы нанотрубок.

Для анализа энергетической структуры различных типов жгутов были исследованы энергетические структуры для волновых векторов, направленных вдоль (кг) и перпендикулярно (кХ) к оси трубки. Для всех трех типов жгутов расчеты выявили полосы, плоские вдоль кХ в "неуплотненных" системах с d = 6 А или больше. Уменьшение расстояния между нанотрубками до значения минимума потенциальной энергии ^ = 3,2 А) приводит к искривлению энергетической структуры вдоль кХ и появлению каналов проводимости в направлении, перпендикулярном оси трубки. Этот эффект показан на рисунке 3 для жгутов из смеси qm- и s-ОУНT

кя, 2л/а 2я/с Density of states

Рисунок 3. Энергетические структуры для «оптимально уплотненного» (d = 3,2 А) жгута ОУНТ (15,0) и (16,0) вдоль kx (a) и kz (b). Красной кривой показаны две последние занятые молекулярные орбитали (HOMO).

Синей кривой показаны две первые незанятые молекулярные орбитали (LUMO). Ef - энергия уровня Ферми. Волновой вектор показан в обратном пространстве, где a и c - размеры элементарной ячейки в направлениях x и z, соответственно. (с) Плотность состояний (DOS) для смешанных жгутов s- и qm-ОУНТ.

В смеси s- и qm-ОУНТ наблюдается значительная модификация энергетической структуры из-за смешивания электронных состояний. «Оптимально уплотненные» жгуты из смеси (16,0) и (15,0) нанотрубок имеют ширину запрещенной зоны меньше, чем энергия, эквивалентная комнатной температуре (25,7 мэВ) (рисунок 3a, b). Из этого можно заключить, что уплотнение смеси s- и qm-ОУНТ, искривляет энергетическую структуру жгута и система переходит в qm-подобную. По сравнению со жгутами только из s-ОУНТ, смесь плотно упакованных s- и qm-ОУНТ имеет энергетические уровни вблизи уровня Ферми (см. плотность электронных состояний (DOS), представленную на рисунке 3с). В результате, жгут «оптимально уплотненных» s- и/или qm-ОУНТ можно рассматривать как эффективную проводящую среду.

Для построения оптических спектров массива ОУНТ был выполнен TDDFT расчет с использованием формализма линейного отклика (LR-TDDFT), реализованного в программном пакете GPAW [34]. На рисунке 4 приведено сравнение спектров поглощения, рассчитанные для смеси изолированных и

«оптимально уплотненных» жгутов s- и qm-ОУНТ. Можно отметить, что пик, соответствующий переходу S11 для одиночных s-ОУНТ [43], имеет красное смещение (порядка 50 мэВ), в то время как пик S22 имеет синее смещение (порядка 100 мэВ) для «оптимально уплотненных» смешанных жгутов ОУНТ. Такое поведение можно объяснить вырождением энергетических зон, которое, в свою очередь, вызвано электронной гибридизацией.

О.« 0.8 1.0 1.2

РЫйхт епегзу (Л^), еУ Рисунок 4. Спектры поглощения смешанного жгута s- и qm-ОУНТ для

изолированных ^ = 6,0 А) и «оптимально плотных» ^ = 3,2 А) нанотрубок.

Эффект искривления энергетической структуры из-за уплотнения жгутов, предсказанный теоретическими расчетами, предположительно, влияет на оптическое поглощение жгутов, содержащих s-ОУНТ. На рисунке 5 представлено сравнение экспериментально полученных спектров пропускания массивов ОУНТ, перенесенных на прозрачные кварцевые подложки до и после уплотнения в этиловом или изопропиловом спирте. Спектры для массива ОУНТ до уплотнения имеют выраженные пики поглощения порядка 554 и 984 мэВ, которые соответствуют переходам S11 и S22 и, таким образом, свидетельствуют о наличие s-ОУНТ в массиве.

Photon Energy, nteV

Рисунок 5. Спектры пропускания массива ОУНТ до и после уплотнения в ЭС и ИПС. Спектры в диапазоне до и после 800 нм были измерены с использованием

различных источников света.

После уплотнения ЭС не наблюдается значительного сдвига пиков поглощения (в пределах экспериментальной точности). Напротив, у массива ОУНТ, уплотненного ИПС, наблюдается красный сдвиг пика S11 на величину порядка 12 мэВ и синий сдвиг пика S22 на величину порядка 22 мэВ (рис. 5). Последнее наблюдение согласуется с предсказанными расчетами (см. рис. 4) изменения энергетической структуры в «оптимально уплотненных» жгутах смешанных ОУНТ. Модель для жгута из смешанных ОУНТ дает смещение пиков аналогичное экспериментально наблюдаемым результатам, но на большие значения энергий. Это можно объяснить присутствием в исследуемом массиве нанотрубок с различными диаметрами и хиральностью. Однако качественное поведение сдвига пиков хорошо соответствует численно полученным результатам. Таким образом, можно сделать вывод, что результаты оптических экспериментов согласуются с теоретическими результатами, полученными с помощью численных расчетов.

В заключении к главе 3 делаются выводы, что проводимость массивов ОУНТ определяется свойствами жгутов, а не отдельных нанотрубок. Поэтому с практической точки зрения для создания высокоэффективных ППЭ следует

рассматривать жгуты, а не отдельные нанотрубки.

Используя теоретические ab initio расчеты совместно с экспериментальными исследованиями было изучено влияние плотности уплотнения нанотрубок в жгуте на оптические и электронные свойства массива ОУНТ. Расчет DFT показал, что оптимально уплотненные жгуты (d = 3,2 А), состоящие из смеси квазиметаллических и полупроводниковых ОУНТ, показывают квазиметаллическое поведение, с шириной запрещенной зоны меньше 25 мэВ.

В четвертой главе «Определение средней длины жгутов в случайно ориентированном массиве одностенных углеродных нанотрубок» метод оценки средней длины жгутов в случайно ориентированном массиве ОУНТ путем анализа зависимости поверхностного сопротивления массива от расстояния между контактами.

Для определения средней длины жгутов была разработана аналитическая модель, которая описывает зависимость сопротивления массива ОУНТ от расстояния между контактами. На рисунке 5а представлено типичное изображение слоя ОУНТ, полученное с помощью сканирующего гелий-ионного микроскопа (СГИМ). Показано, что массив ОУНТ представляет собой перколяционную сеть с высокой плотностью и большим количеством пересечений. Для аналитического описания такой системы была предложена следующую модель (см. рис. 5(b)).

Рисунок. 5. (а) Типичное изображение слоя ОУНТ, полученное с помощью гелий-ионного микроскопа. (b) Схематическое изображение рассматриваемой модели: желтые полосы представляют золотые контакты, серые полосы — жгуты (проводники), Rb, Rj и Rc - сопротивления жгута, контактное сопротивление пересечения жгутов, контактное сопротивление между жгутом и электродом, соответственно; красными точками отмечены места соединения жгутов, красными стрелками показаны два возможных пути прохождения тока.

Рассмотрено два вклада в проводимость двумерного массива: (i) жгуты, соединяющие два контакта без пересечений (Ri), и (ii) жгуты, соединяющие два контакта пересечением с другими жгутами (R2).

Первый вклад в проводимость вносят одиночные изолированные жгуты, длина которых превышает расстояние между контактами L. Была проанализирована зависимость сопротивления жгута от расстояния между контактами для случайной угловой ориентации жгута.

Для описания модели проводимости был рассмотрен массив однородных проводников (жгутов) длиной l и толщиной, пренебрежимо малой по сравнению с их длиной. Проводники занимали область между двумя параллельными контактами, расположенными на расстоянии L. Каждый проводник характеризуется координатами его центра (x, y) и углом поворота а. Следовательно, проводник соединяет оба контакта, если: L - x<l/2 cos а.

Сопротивление массива Я1, представлена следующим уравнением:

где р = 1/Ы - поверхностная плотность проводников на единицу площади, Яь = ¡/а1- сопротивление единичного проводника.

Второй вклад в проводимость массива может быть описан с помощью линейной аппроксимации увеличения сопротивления с расстоянием L:

где k - параметр модели, который включает в себя сопротивление пересечения жгутов Я/, а также сопротивления жгута Яь.

Общее сопротивление массива Яш можно рассчитать, если учесть вклады Я1 и Я2, соединенных параллельно, а также контактное сопротивление между слоем ОУНТ и электродами (Яс), соединенных последовательно с двумя предыдущими. Следовательно, общее сопротивление можно рассчитать, как:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Воробьев Александр Андреевич, 2023 год

Список используемой литературы

1. Maniyara R.A. et al. An antireflection transparent conductor with ultralow optical loss (<2 %) and electrical resistance (<6 Q sq-1) // Nat. Commun. 2016. Vol. 7, № 1. P. 13771.

2. Mineral Commodity Summaries. 2019.

3. Park J. et al. Flexible Transparent Conductive Films with High Performance and Reliability Using Hybrid Structures of Continuous Metal Nanofiber Networks for Flexible Optoelectronics // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. Vol. 9, № 24. P. 2029920305.

4. Choi K.-H. et al. Highly flexible and transparent InZnSnOx/AginZnSnOx multilayer electrode for flexible organic light emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92, № 22.

5. Ellmer K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes // Nat. Photonics. 2012. Vol. 6, № 12. P. 809-817.

6. He X. et al. Screen-Printed Fabrication of PEDOT:PSS/Silver Nanowire Composite Films for Transparent Heaters // Materials (Basel). 2017. Vol. 10, № 3. P. 220.

7. Huang S. et al. A Highly Stretchable and Fatigue-Free Transparent Electrode Based on an In-Plane Buckled Au Nanotrough Network // Adv. Electron. Mater. 2017. Vol. 3, № 3. P. 1600534.

8. An B.W. et al. Stretchable, Transparent Electrodes as Wearable Heaters Using Nanotrough Networks of Metallic Glasses with Superior Mechanical Properties and Thermal Stability // Nano Lett. 2016. Vol. 16, № 1. P. 471-478.

9. Lopez-Naranjo E.J. et al. Transparent Electrodes: A Review of the Use of Carbon-Based Nanomaterials // J. Nanomater. 2016. Vol. 2016. P. 1-12.

10. Aloui W., Ltaief A., Bouazizi A. Transparent and conductive multi walled carbon nanotubes flexible electrodes for optoelectronic applications // Superlattices Microstruct. 2013. Vol. 64. P. 581-589.

11. Tsapenko A.P. et al. Highly conductive and transparent films of HAuCl4-doped single-walled carbon nanotubes for flexible applications // Carbon N. Y. 2018. Vol. 130.

P. 448-457.

12. Ni H. et al. A review on colorless and optically transparent polyimide films: Chemistry, process and engineering applications // J. Ind. Eng. Chem. 2015. Vol. 28. P. 16-27.

13. Khrapach I. et al. Novel Highly Conductive and Transparent Graphene-Based Conductors // Adv. Mater. 2012. Vol. 24, № 21. P. 2844-2849.

14. van de Lagemaat J. et al. Organic solar cells with carbon nanotubes replacing In2O3:Sn as the transparent electrode // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88, № 23.

15. Wu Z. et al. Transparent, Conductive Carbon Nanotube Films // Science (80-. ). 2004. Vol. 305, № 5688. P. 1273-1276.

16. Nasibulin A.G. et al. Multifunctional Free-Standing Single-Walled Carbon Nanotube Films // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 4. P. 3214-3221.

17. Gilshteyn E.P. et al. A One-Step Method of Hydrogel Modification by SingleWalled Carbon Nanotubes for Highly Stretchable and Transparent Electronics // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 33. P. 28069-28075.

18. Moisala A. et al. Single-walled carbon nanotube synthesis using ferrocene and iron pentacarbonyl in a laminar flow reactor // Chem. Eng. Sci. 2006. Vol. 61, № 13. P. 4393-4402.

19. Li Z. et al. Laminated Carbon Nanotube Networks for Metal Electrode-Free Efficient Perovskite Solar Cells // ACS Nano. 2014. Vol. 8, № 7. P. 6797-6804.

20. Ostfeld A.E. et al. Single-walled carbon nanotube transparent conductive films fabricated by reductive dissolution and spray coating for organic photovoltaics // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, № 25.

21. Jeon I., Matsuo Y, Maruyama S. Single-Walled Carbon Nanotubes in Solar Cells. 2019. P. 271-298.

22. Shastry T. A., Hersam M.C. Carbon Nanotubes in Thin-Film Solar Cells // Adv. Energy Mater. 2017. Vol. 7, № 10.

23. Xu F. et al. Single walled carbon nanotube anodes based high performance organic light-emitting diodes with enhanced contrast ratio // Org. Electron. 2012. Vol. 13, № 2. P. 302-308.

24. Han T.-H. et al. Flexible transparent electrodes for organic light-emitting diodes // J. Inf. Disp. 2015. Vol. 16, № 2. P. 71-84.

25. Aguirre C.M. et al. Carbon nanotube sheets as electrodes in organic light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88, № 18.

26. Kang C.H. et al. Carbon nanotube-graphene composite film as transparent conductive electrode for GaN-based light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109, № 8.

27. Lee K. et al. Single Wall Carbon Nanotubes for p-Type Ohmic Contacts to GaN Light-Emitting Diodes // Nano Lett. 2004. Vol. 4, № 5. P. 911-914.

28. Nasibulin A.G. et al. Correlation between catalyst particle and single-walled carbon nanotube diameters // Carbon N. Y 2005. Vol. 43, № 11. P. 2251-2257.

29. Romanov S.A. et al. Rapid, efficient, and non-destructive purification of singlewalled carbon nanotube films from metallic impurities by Joule heating // Carbon N. Y. 2020. Vol. 168. P. 193-200.

30. Cranford S. et al. A single degree of freedom 'lollipop' model for carbon nanotube bundle formation // J. Mech. Phys. Solids. 2010. Vol. 58, № 3. P. 409-427.

31. LIEW K., WONG C., TAN M. Tensile and compressive properties of carbon nanotube bundles // Acta Mater. 2006. Vol. 54, № 1. P. 225-231.

32. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas // Phys. Rev. 1964. Vol. 136, № 3B. P. B864-B871.

33. Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Phys. Rev. 1965. Vol. 140, № 4A. P. A1133-A1138.

34. Enkovaara J. et al. Electronic structure calculations with GPAW: a real-space implementation of the projector augmented-wave method // J. Phys. Condens. Matter. 2010. Vol. 22, № 25. P. 253202.

35. Neplokh V. et al. Modified silicone rubber for fabrication and contacting of flexible suspended membranes of n-/p-GaP nanowires with a single-walled carbon nanotube transparent contact // J. Mater. Chem. C. 2020. Vol. 8, № 11. P. 3764-3772.

36. Kapoor A. et al. Green Electroluminescence from Radial m -Plane InGaN Quantum Wells Grown on GaN Wire Sidewalls by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy

// ACS Photonics. 2018. Vol. 5, № 11. P. 4330-4337.

37. Koester R. et al. Self-assembled growth of catalyst-free GaN wires by metal-organic vapour phase epitaxy // Nanotechnology. 2010. Vol. 21, № 1. P. 015602.

38. Fukaya N. et al. One-Step Sub-10 ^m Patterning of Carbon-Nanotube Thin Films for Transparent Conductor Applications // ACS Nano. 2014. Vol. 8, № 4. P. 32853293.

39. Chien Y.-M. et al. A solution processed top emission OLED with transparent carbon nanotube electrodes // Nanotechnology. 2010. Vol. 21, № 13. P. 134020.

40. Lee M. et al. "Textured" Network Devices: Overcoming Fundamental Limitations of Nanotube/Nanowire Network-Based Devices // Small. 2009. Vol. 5, № 14. P. 1642-1648.

41. Jiang S. et al. High-performance single-wall carbon nanotube transparent conductive films // J. Mater. Sci. Technol. 2019. Vol. 35, № 11. P. 2447-2462.

42. Khabushev E.M. et al. Structure-dependent performance of single-walled carbon nanotube films in transparent and conductive applications // Carbon N. Y. 2020. Vol. 161. P. 712-717.

43. Zhang Y-L. et al. De-bundling of single-wall carbon nanotubes induced by an electric field during arc discharge synthesis // Carbon N. Y 2014. Vol. 74. P. 370-373.

44. Rybolt T., Jordan H. Interactions and Binding Energies in Carbon Nanotube Bundles // Appl. Nano. 2021. Vol. 2, № 2. P. 128-147.

45. Mustonen K. et al. Gas phase synthesis of non-bundled, small diameter singlewalled carbon nanotubes with near-armchair chiralities // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, № 1.

46. Rao R. et al. Carbon Nanotubes and Related Nanomaterials: Critical Advances and Challenges for Synthesis toward Mainstream Commercial Applications // ACS Nano. 2018. Vol. 12, № 12. P. 11756-11784.

47. Yang F. et al. Chirality Pure Carbon Nanotubes: Growth, Sorting, and Characterization // Chem. Rev. 2020. Vol. 120, № 5. P. 2693-2758.

48. Liang L. et al. High-efficiency dispersion and sorting of single-walled carbon nanotubes via non-covalent interactions // J. Mater. Chem. C. 2017. Vol. 5, № 44. P.

11339-11368.

49. Girifalco L.A., Hodak M., Lee R.S. Carbon nanotubes, buckyballs, ropes, and a universal graphitic potential // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62, № 19. P. 13104-13110.

50. Deng C. et al. Flexible electrical probes made of carbon nanotube bundles // Carbon N. Y. 2016. Vol. 101. P. 331-337.

51. Reich S., Thomsen C., Ordejon P. Electronic band structure of isolated and bundled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65, № 15. P. 155411.

52. Moradian R., Behzad S., Azadi S. Ab initio density functional theory investigation of electronic properties of semiconducting single-walled carbon nanotube bundles // Phys. E Low-dimensional Syst. Nanostructures. 2008. Vol. 40, № 10. P. 30553059.

53. Qi G., Rabczuk T. Ab-initio investigation of lithium adsorption on short carbon nanotubes considering effects of the tube length // Carbon N. Y. 2019. Vol. 155. P. 727733.

54. Polozkov R.G. et al. Carbon nanotube array as a van der Waals two-dimensional hyperbolic material // Phys. Rev. B. 2019. Vol. 100, № 23. P. 235401.

55. Behnam A. et al. Resistivity scaling in single-walled carbon nanotube films patterned to submicron dimensions // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, № 9.

56. Ilatovskii D.A. et al. Transparent Conducting Films Based on Carbon Nanotubes: Rational Design toward the Theoretical Limit // Adv. Sci. 2022. Vol. 9, № 24.

57. Cadek M. et al. Reinforcement of Polymers with Carbon Nanotubes: The Role of Nanotube Surface Area // Nano Lett. 2004. Vol. 4, № 2. P. 353-356.

58. Badaire S. et al. In Situ Measurements of Nanotube Dimensions in Suspensions by Depolarized Dynamic Light Scattering // Langmuir. 2004. Vol. 20, № 24. P. 1036710370.

59. Novikov I. V. et al. Residence time effect on single-walled carbon nanotube synthesis in an aerosol CVD reactor // Chem. Eng. J. 2021. Vol. 420. P. 129869.

60. Fagan J.A. et al. Carbon Nanotubes: Measuring Dispersion and Length // Adv. Mater. 2011. Vol. 23, № 3. P. 338-348.

61. Hennrich F. et al. The Mechanism of Cavitation-Induced Scission of Single-

Walled Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. B. 2007. Vol. 111, № 8. P. 1932-1937.

62. Pagani G. et al. Competing mechanisms and scaling laws for carbon nanotube scission by ultrasonication // Proc. Natl. Acad. Sci. 2012. Vol. 109, №№ 29. P. 11599-11604.

63. Lucas A. et al. Kinetics of Nanotube and Microfiber Scission under Sonication // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113, № 48. P. 20599-20605.

64. Krasnikov D. V. et al. A spark discharge generator for scalable aerosol CVD synthesis of single-walled carbon nanotubes with tailored characteristics // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 372. P. 462-470.

65. Shetty A.M. et al. Multiangle Depolarized Dynamic Light Scattering of Short Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113, № 17. P. 7129-7133.

66. Jackson J.J. et al. Pulsed Growth of Vertically Aligned Nanotube Arrays with Variable Density // ACS Nano. 2010. Vol. 4, № 12. P. 7573-7581.

67. Casey J.P. et al. Chirality-Resolved Length Analysis of Single-Walled Carbon Nanotube Samples through Shear-Aligned Photoluminescence Anisotropy // ACS Nano. 2008. Vol. 2, № 8. P. 1738-1746.

68. Karlsen P. et al. Influence of nanotube length and density on the plasmonic terahertz response of single-walled carbon nanotubes // J. Phys. D. Appl. Phys. 2018. Vol. 51, № 1. P. 014003.

69. Bengio E.A. et al. Statistical Length Measurement Method by Direct Imaging of Carbon Nanotubes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 6, № 9. P. 6139-6146.

70. Tsentalovich D.E. et al. Relationship of Extensional Viscosity and Liquid Crystalline Transition to Length Distribution in Carbon Nanotube Solutions // Macromolecules. 2016. Vol. 49, № 2. P. 681-689.

71. Mitin D. et al. Tuning the Optical Properties and Conductivity of Bundles in Networks of Single-Walled Carbon Nanotubes // J. Phys. Chem. Lett. 2022. Vol. 13, № 37. P. 8775-8782.

72. Hecht D., Hu L., Grüner G. Conductivity scaling with bundle length and diameter in single walled carbon nanotube networks // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, №2 13.

73. Kumar S., Murthy J.Y, Alam M.A. Percolating Conduction in Finite Nanotube Networks // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95, № 6. P. 066802.

74. Snow E.S. et al. Random networks of carbon nanotubes as an electronic material // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82, № 13. P. 2145-2147.

75. Komatsu R. et al. Repeatedly foldable AMOLED display // J. Soc. Inf. Disp. 2015. Vol. 23, № 2. P. 41-49.

76. Heikenfeld J. et al. Wearable sensors: modalities, challenges, and prospects // Lab Chip. 2018. Vol. 18, № 2. P. 217-248.

77. Novikov I. V. et al. Multifunctional Elastic Nanocomposites with Extremely Low Concentrations of Single-Walled Carbon Nanotubes // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. Vol. 14, № 16. P. 18866-18876.

78. Shen J., Chui C., Tao X. Luminous fabric devices for wearable low-level light therapy // Biomed. Opt. Express. 2013. Vol. 4, № 12. P. 2925.

79. Djenizian T. et al. Advances in flexible and soft electronics // APL Mater. 2019. Vol. 7, № 3.

80. Zhou Z. et al. Bilayer nanocarbon heterojunction for full-solution processed flexible all-carbon visible photodetector // APL Mater. 2019. Vol. 7, № 3.

81. Dai X. et al. Flexible Light-Emitting Diodes Based on Vertical Nitride Nanowires // Nano Lett. 2015. Vol. 15, № 10. P. 6958-6964.

82. Kim S. Il et al. Flexible OLED fabrication with ITO thin film on polymer substrate // Jpn. J. Appl. Phys. 2015. Vol. 54, № 9. P. 090301.

83. Lipomi D.J. et al. Stretchable Organic Solar Cells // Adv. Mater. 2011. Vol. 23, № 15. P. 1771-1775.

84. Kaltenbrunner M. et al. Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility // Nat. Commun. 2012. Vol. 3, № 1. P. 770.

85. Hong N. et al. Flexible GaAs photodetector arrays hetero-epitaxially grown on GaP/Si for a low-cost III-V wearable photonics platform // Opt. Express. 2020. Vol. 28, № 24. P. 36559.

86. Li X. et al. High performance visible-SWIR flexible photodetector based on large-area InGaAs/InP PIN structure // Sci. Rep. 2022. Vol. 12, № 1. P. 7681.

87. Kim D.-H. et al. Stretchable and Foldable Silicon Integrated Circuits // Science (80-. ). 2008. Vol. 320, № 5875. P. 507-511.

88. Thejokalyani N., Dhoble S.J. Novel approaches for energy efficient solid state lighting by RGB organic light emitting diodes - A review // Renew. Sustain. Energy Rev. 2014. Vol. 32. P. 448-467.

89. Kim T. et al. Efficient and stable blue quantum dot light-emitting diode // Nature. 2020. Vol. 586, № 7829. P. 385-389.

90. Herrnsdorf J. et al. Active-Matrix GaN Micro Light-Emitting Diode Display With Unprecedented Brightness // IEEE Trans. Electron Devices. 2015. Vol. 62, № 6. P. 1918-1925.

91. Guan N. et al. Flexible inorganic light emitting diodes based on semiconductor nanowires // Chem. Sci. 2017. Vol. 8, № 12. P. 7904-7911.

92. Jeong J. et al. Remote heteroepitaxy of GaN microrod heterostructures for deformable light-emitting diodes and wafer recycle // Sci. Adv. 2020. Vol. 6, № 23.

93. Li Z. et al. III-V Semiconductor Single Nanowire Solar Cells: A Review // Adv. Mater. Technol. 2018. Vol. 3, № 9.

94. Rahman F. Zinc oxide light-emitting diodes: a review // Opt. Eng. 2019. Vol. 58, № 01. P. 1.

95. Liu S. et al. Self-Healing, Robust, and Stretchable Electrode by Direct Printing on Dynamic Polyurea Surface at Slightly Elevated Temperature // Adv. Funct. Mater. 2021. Vol. 31, № 26.

96. Cui N. et al. A photolithographic stretchable transparent electrode for an all-solution-processed fully transparent conformal organic transistor array // J. Mater. Chem. C. 2019. Vol. 7, № 18. P. 5385-5393.

97. Kwon O.E. et al. A prototype active-matrix OLED using graphene anode for flexible display application // J. Inf. Disp. 2020. Vol. 21, № 1. P. 49-56.

98. Zhang Z. et al. All-Carbon Electrodes for Flexible Solar Cells // Appl. Sci. 2018. Vol. 8, № 2. P. 152.

99. Gilshteyn E.P. et al. Mechanically Tunable Single-Walled Carbon Nanotube Films as a Universal Material for Transparent and Stretchable Electronics // ACS Appl.

Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 30. P. 27327-27334.

100. Tuukkanen S. et al. Stretching of solution processed carbon nanotube and graphene nanocomposite films on rubber substrates // Synth. Met. 2014. Vol. 191. P. 2835.

101. Mitin D. et al. Optimization of Optoelectronic Properties of Patterned Single-Walled Carbon Nanotube Films // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12, № 49. P. 55141-55147.

102. Zhou C., Bette S., Schnakenberg U. Flexible and Stretchable Gold Microstructures on Extra Soft Poly(dimethylsiloxane) Substrates // Adv. Mater. 2015. Vol. 27, № 42. P. 6664-6669.

103. Khabushev E.M. et al. Machine Learning for Tailoring Optoelectronic Properties of Single-Walled Carbon Nanotube Films // J. Phys. Chem. Lett. 2019. Vol. 10, № 21. P. 6962-6966.

104. Kaskela A. et al. Aerosol-Synthesized SWCNT Networks with Tunable Conductivity and Transparency by a Dry Transfer Technique // Nano Lett. 2010. Vol. 10, № 11. P. 4349-4355.

105. Alvarez L. et al. Resonant Raman study of the structure and electronic properties of single-wall carbon nanotubes // Chem. Phys. Lett. 2000. Vol. 316, № 3-4. P. 186-190.

106. Bandow S. et al. Effect of the Growth Temperature on the Diameter Distribution and Chirality of Single-Wall Carbon Nanotubes // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80, № 17. P. 3779-3782.

107. Hjorth Larsen A. et al. The atomic simulation environment—a Python library for working with atoms // J. Phys. Condens. Matter. 2017. Vol. 29, № 27. P. 273002.

108. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77, № 18. P. 3865-3868.

109. Klimes J., Bowler D.R., Michaelides A. Chemical accuracy for the van der Waals density functional // J. Phys. Condens. Matter. 2010. Vol. 22, № 2. P. 022201.

110. Andrade X. et al. Time-dependent density functional theory scheme for efficient calculations of dynamic (hyper)polarizabilities // J. Chem. Phys. 2007. Vol. 126,

111. Yabana K., Bertsch G.F. Time-dependent local-density approximation in real time // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54, № 7. P. 4484-4487.

112. Runge E., Gross E.K.U. Density-Functional Theory for Time-Dependent Systems // Phys. Rev. Lett. 1984. Vol. 52, № 12. P. 997-1000.

113. Dumlich H. et al. Bundle and chirality influences on properties of carbon nanotubes studied with van der Waals density functional theory // Phys. status solidi. 2011. Vol. 248, № 11. P. 2589-2592.

114. ASE documentation. [Electronic resource]. URL: https://wiki.fysik.dtu.dk/ase/ase/build/build.html#ase.build.nanotube.

115. Ho P.-H. et al. Intrinsically ultrastrong plasmon-exciton interactions in crystallized films of carbon nanotubes // Proc. Natl. Acad. Sci. 2018. Vol. 115, № 50. P. 12662-12667.

116. Thess A. et al. Crystalline Ropes of Metallic Carbon Nanotubes // Science (80-. ). 1996. Vol. 273, № 5274. P. 483-487.

117. Munekata T. et al. Effects of viscosity, surface tension, and evaporation rate of solvent on dry colloidal structures: A lattice Boltzmann study // Phys. Rev. E. 2013. Vol. 88, № 5. P. 052314.

118. Futaba D.N. et al. Shape-engineerable and highly densely packed singlewalled carbon nanotubes and their application as super-capacitor electrodes // Nat. Mater. 2006. Vol. 5, № 12. P. 987-994.

119. Mackay D., van Wesenbeeck I. Correlation of Chemical Evaporation Rate with Vapor Pressure // Environ. Sci. Technol. 2014. Vol. 48, № 17. P. 10259-10263.

120. Liu K. et al. Carbon nanotube yarns with high tensile strength made by a twisting and shrinking method // Nanotechnology. 2010. Vol. 21, № 4. P. 045708.

121. Shandakov S.D. et al. Electromechanical properties of fibers produced from randomly oriented SWCNT films by wet pulling technique // Mater. Sci. Eng. B. 2021. Vol. 269. P. 115178.

122. Li J., Zhang S.-L. Finite-size scaling in stick percolation // Phys. Rev. E. 2009. Vol. 80, № 4. P. 040104.

123. Forró C. et al. Predictive Model for the Electrical Transport within Nanowire Networks // ACS Nano. 2018. Vol. 12, № 11. P. 11080-11087.

124. Ponzoni A. The contributions of junctions and nanowires/nanotubes in conductive networks // Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 114, № 15.

125. Gomes da Rocha C. et al. Ultimate conductivity performance in metallic nanowire networks // Nanoscale. 2015. Vol. 7, № 30. P. 13011-13016.

126. Virtanen P. et al. SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python // Nat. Methods. 2020. Vol. 17, № 3. P. 261-272.

127. A Hagberg, D Schult P.S. Exploring Network Structure, Dynamics, and Function using NetworkX // Exploring Network Structure, Dynamics, and Function using NetworkX in Proceedings of the 7th Python in Science conference (SciPy 2008). 2008. P. P.11-15.

128. Kim D., Nam J. Systematic analysis for electrical conductivity of network of conducting rods by Kirchhoff's laws and block matrices // J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124, № 21.

129. Nirmalraj P.N. et al. Electrical Connectivity in Single-Walled Carbon Nanotube Networks // Nano Lett. 2009. Vol. 9, № 11. P. 3890-3895.

130. Garrett M.P. et al. Separation of junction and bundle resistance in single wall carbon nanotube percolation networks by impedance spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, № 16.

131. Anoshkin I. V. et al. Hybrid carbon source for single-walled carbon nanotube synthesis by aerosol CVD method // Carbon N. Y 2014. Vol. 78. P. 130-136.

132. Fraser D.B., Cook H.D. Highly Conductive, Transparent Films of Sputtered In[sub 2-x]Sn[sub x]O[sub 3-y] // J. Electrochem. Soc. 1972. Vol. 119, № 10. P. 1368.

133. Tchoulfian P. et al. High conductivity in Si-doped GaN wires // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102, № 12.

134. Tchoulfian P. et al. Direct Imaging of p-n Junction in Core-Shell GaN Wires // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 6. P. 3491-3498.

135. Tessarek C. et al. The Role of Si during the Growth of GaN Micro- and

Nanorods // Cryst. Growth Des. 2014. Vol. 14, № 3. P. 1486-1492.

136. Jacopin G. et al. Single-Wire Light-Emitting Diodes Based on GaN Wires Containing Both Polar and Nonpolar InGaN/GaN Quantum Wells // Appl. Phys. Express. 2012. Vol. 5, № 1. P. 014101.

137. Neplokh V. et al. Substrate-Free InGaN/GaN Nanowire Light-Emitting Diodes // Nanoscale Res. Lett. 2015. Vol. 10, № 1. P. 447.

138. Messanvi A. et al. Investigation of Photovoltaic Properties of Single Core-Shell GaN/InGaN Wires // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. Vol. 7, № 39. P. 2189821906.

139. Kochetkov F.M. et al. Fabrication and electrical study of large area freestanding membrane with embedded GaP NWs for flexible devices // Nanotechnology. 2020. Vol. 31, № 46. P. 46LT01.

140. Bai J. et al. A Direct Epitaxial Approach To Achieving Ultrasmall and Ultrabright InGaN Micro Light-Emitting Diodes (^LEDs) // ACS Photonics. 2020. Vol. 7, № 2. P. 411-415.

141. Konoplev S.S., Bulashevich K.A., Karpov S.Y From Large-Size to Micro-LEDs: Scaling Trends Revealed by Modeling // Phys. status solidi. 2018. Vol. 215, № 10.

142. Tchernycheva M. et al. Integrated Photonic Platform Based on InGaN/GaN Nanowire Emitters and Detectors // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 6. P. 35153520.

143. Guan N. et al. Flexible White Light Emitting Diodes Based on Nitride Nanowires and Nanophosphors // ACS Photonics. 2016. Vol. 3, № 4. P. 597-603.

144. Sizov V.S. et al. Study of tunneling transport of carriers in structures with an InGaN/GaN active region // Semiconductors. 2010. Vol. 44, № 12. P. 1567-1575.

145. Hong YJ. et al. Inorganic Optoelectronics: Visible-Color-Tunable Light-Emitting Diodes (Adv. Mater. 29/2011) // Adv. Mater. 2011. Vol. 23, № 29. P. 3224-3224.

Тексты публикаций

ИЯАР Р LI ЕР M ATE RIALS

& INTERFACES

www.acsami.org

Research Article

Optimization of Optoelectronic Properties of Patterned SingleWalled Carbon Nanotube Films

Dmitri,' Mitin,*'^ Yury Bordnikov,'' Aicxaudr Vorobycv, AJcxcy Mozharov, Sergei Rnudik, Olga KovaJ, Vladimir Nepiokh, Eduaid Moiseev, DaniiL llatovskii, Albert G, Nasibuliii,* and Ivan Mukhtn

Cite This: httpv/ydiLdoLQig/l0.1021 /acsainiflcl4733 PH Read Online

ACCESS

Mil Metrics & More

Article Recommendations

0 Supporting Information

H ai

s I

s ssi

M If

t№ wp rk state-oMire-art

Continuous Patterned Experimenl ..... * ■ »

ibCffi]

ABSTRACT Wc propose a novel strategy to enhance optoelec-trical properties of single-walled carbon nanotube (SWCNT) films for transparent electrode applications by film patterning. First, we theoretically considered the effect of the conducting pattern geometry on the film quality factor and then experimentally examined the calculated structures. We extend these faults to show that the best characteristics of patterned SWCNT films can be achieved using the combination of initial film properties: low transinittance and high conductivity. The proposed strategy allows the patterned layers of SWCNTs to outperform the widely used indium-tin-oxide electrodes on both flexible and rigid substrates.

KEYWORDS: fbtgle-wallc4 carbmt Frti!n)(tii>ej, patterning, transparent conductive films, flexible transparent electrodes, figure i>f merit

0.2 0.4 №3 C.fc Trançroittarvce

Л

îi il

п

si

■g н ил il

Recent development or optoelectronic and photonic technologies for compact devices has introduced new challenges in fabrication of flexible, stretchable, transparent and conductive electrodes,1-1 A wide range of possible applications includes solar cells/ light-emitting diodes (LEDs),1"' touchscreens,1'*1* "smart" devices, and wearable electronics."'Ll' The typical requirement for these applications is high transmittance in the middle of the visible spectral range and low sheet resistance. A Tew recent works have proposed new approaches, which allowed competing with highly eiheient indium-tin-oxide (I TO) coatings, one of the most developed and spread transparent conductive film (TCF) materials. " However, poor mechanical properties and high refractivity and price4 made researchers and engineers search for alternative TCFs. Remarkable results were obtained with Cu and Ag nanoiibers and nanowires," zinc oxide doped with Al and fia,16,17 conductive polymers as I'EDOTlFSS," metallic grids, ll',"i graphene/ and multiwalled and single-walled carbon nanotubes (SWCWTs).™^1 The latter is considered to be one of the most promising materials for the ITO replacement due to outstanding mechanical properties, chemical stability, and high intrinsic conductivity.""-^ SWCNT-based TCFs possess excellent optical properties with no hare1*"*1 and low reflectivityiLI,tJ contrary to metal-oxide materials.41 However, even the best quality pristine SWCNT films possess quite high sheet resistance >.100 £!/□ (at the transmittance of 90%) that limits their potential applicability.1-1 Doping is the most effective approach to enhance the efficiency of transparent electrodes due to the possibility to tune the electronic structure of the SWCNTs, which results in the increase in the

eoncertation of charge carriers and eliminates the Schottky barriers between SWCNTs with different chirality and metallicity.''' However, the main drawback or this method is that the doping effect eventually degrades. Hence, the instability in properties stimulates the search Tor other approaches to produce highly conductive and transparent films performing at the state-of-the-art level.

Recently, Futaya et al. have demonstrated that film patterning may improve the characteristics of an SWCNT film/ although no systematic studies of the performance of patterned SWCNT TCFs were reported. Furthermore, the patterned layers demonstrated the performance below ITO values.11 In general, a patterning approach has been established as the strategy to overcome the conductivity-lransmittancc trade-oil for several TCF nanomaterials like polyurethane/ metal gratings" or transparent conducting oxide grid fingers : However, optimal pattern geometry, especially in the case of SWCNT films, has not been investigated in the literature.

In this work, we utilize a patterning approach and carefully examine the processed SWCNT films to enhance their optoelectrkal properties beyond the ITO performance We optimised the trade- off dependence between transparency and film conductivity irst theoretically and then confirmed the

Received; Angntt 16, 2020 Accepted: November 16, 2(.120

.Jfcte,

ACS Publications

ft XXKX American Chemkail Society

hti pi-' Ш .do Lw^f Ю.1021 fa a ami. De 1A 7 B3 ACS Aw*. Mater. ¿Wares XXXX, XXX, XXX Ш

ACS Applied Materials 8? Interfaces

www.acsami.org

Research Article

/ / /У /» ft f t

/ // ti í"nn 1 in ua us SWrNTi FHIUTHI'Ü SWCNT* Г- 0.1 ---f= D.4 ---f = U.ft

I 10 ](ic IWM

Mit't'l rtiis[aniT. £1-11

Figure J. (a—d) Schematics of the patterned SWCNT grid £m /"0.1, CL4, 0-li, mil 1. ie} Trarumittance of patterned an J continuons SWCNT layers a function of ¿beet resistance. Clean area corresponds to the conditions, where the patterned tUrni Jemonstrate improvement of optoelectronic properties, and the shadowed one is the area of superiority of the continuous cLLni.

results eiptfimeoully. The proposed approach was combined together with continuous films to provide homogenous film conductivity. Our results have duitiiuisLraluJ that flfciiblii SWCNT films can outperform ITO coatings on rigid surfaces.

■ RESULTS AND DISCUSSION

To evaluate the optoelectronic performance of different materials and to compare a TCF with different thicknesses, we can use the figure of merit (FoM), which is defined as the ratio of conductivity and light absorption'^

I

(4)

The right-hand side of eq 4 is universal and applicable to grids with various cell shapes, as wu show in the Supporting Information (section Si).

Previous studies have confirmed that the transmittal*: e of the continuous SWCNT layer follows the Lambert—Beur law and relates to its sheet resistance

T0 = t*p(-ap!Ra)

(5)

a I

FoM - -

A AR,

Iog(T) R,

(I)

where a is the effective absorption coefficient, and /> is the resistivity of the SWCNT layer. Using eqs 3— 5, we obtain the correlation between T and ^ for the patterned SWCNT layer

where it, and R* are the sheet conductivity and resistance, respectively] A and T are the absorbance and transmittance at 550 nrn wavelength, respectively. Among other FoMs, eq 1 is the simplest to be used; however, a value of FoM is not always straightforward and requires to know the figures for other materials to compare the film performance. Therefore, to overcome this problem, we utilize an equivalent sheet resistance, itsu, which is the sheet resistance of a film with the 90% transmittance at 550 nm

Ron —

I

FoM-log( 10/9)

(2)

As the best up to now, recent studies devoted to the transparent conductors based an SWCNT films have reported values of R^, = 17-42 il/Q-1,3'®^'" comparable with flexible ITO layers (iL*, - 36 Q/[f) but still higher than 10 Si/HT corresponding to JTO films on a rigid substrate.

We considered the grids made of SWCNT films with the period of p and width of the stripes of ur illustrated in Figure la—d. To characterize grids with a different cell shape, we introduce the filling factor of the surface area covered by the gjrid as J a I — (p — wY/p1. In these terms, the grid transmittance, T, is the function of transmittance of a continuous SWCNT film before patterning Tq

T= I-/+/= i

(6)

The dependences of T[RJ given by eq 6 are plotted for different / values and fixed ap = 12.9 in Figure le. This value for ap was calculated using eq 5 and experimental data: Tf, -0.95 and Jî„ - 217 Q/Q measured for continuous doped SWCNT films examined in this paper. We note that for a continuous SWCNT film (i.e., at/ = l), the function of T(R,) turns into the correlation of T^ü,,) described by eq 5. Meanwhile, for f < I, the curve intersects with the

TaiJitf) dependence. The left side of the T(R,) curve corresponds to the patterned SWCNT layers with the improved transmittance in comparison to a continuous layer oí the same sheet resistance. Also, the right side from the intersection of the TlRj curve corresponds to the transmittance lower than the original transmittance, TL1, lor the same sheet resistance, which has no practical use. Therefore, the T(R,) curve in Figure le delineates the clean region related to the patterned SWCNT layers with the enhanced optoelectronic characteristics and shadowed area with superiority of the continuous film. The boundary between these two regions can be found by solving the equation at the intersection of T(R,) and Tu(Ra)

Г= I -f + M

(3)

i-f+n> = n

(7)

assuming 100% transmittance of the area between stripes.

The sheet resistance of the square grid К* can he estimated as a function of the sheet resistance of a continuous layer of the same material before patterning, itL1

Equation 7 is expressed in terms of / and Rj however, it could be rewritten as a function of other parameters using eqs i and 4, as discussed in the Supporting Information (section Si). Unfortunately, eq 7 has no precise analytical solution and

Dil.rai^anittclJ.'BB

HCSÁppl. Mato. Шп Dil XIX ВП-ХХК

ACS Applied Materials fir Interfaces

w w w.acsa mi.org

Research Article

in the ultraviolet range, typical for unpatterned films, is lower for the patterned TCFs. We also note that the experimentally obtained values of tnansmittances (at 550 nm wavelength) and sheet resistances of patterned films match (he theoretically predicted dependences with the transmittance deviation of ±0^1, as shown in Figure 2. However, the drop in the measured transmission in the UV region is more prominent compared to theoretical predictions. This phenomenon can be explained by considering the residue of a photoresist on the substrates with patterned films. Indeed, the thin layer of a photoresist can significantly increase the light absorption, especially in the UV region.

Unlike traditional continuous thin films, the resistance of the patterned SWCNT TCF does not always scale linearly with the sample thickness. Thin films or narrow stripes of SWCNT networks are known to suffer from an increase in resistance due to the lack of contacts between tubes when approaching the percolation threshold,"1"1,1 which we have not considered in our model. Therefore, a series of experiments was carried uut to examine how patterning affects the conductivity of SWCNT networks. A sut of SWCNT stripes with widths of L-100 jnn and lengths of 10—1000 pm was prepared following the same lithography and etching procedure as described in section Methods. Figure 5a shows the optical microscopy image of the

№

10!

vnpi nlrilk n ■ Itt'iin 4 4 [in •

± 2* i.m t 2 uti T fM» »11« » ■ t

. 1 * t

™ l_plll

Figure 5- fa) Optical microscopy image in false colors of the set of SWCNT stripes (colored in blue) with Cr/Au contacts (colored in yellow) on a quartz suhstrate. (b) Stripe resistances multiplied by its width as the Junctions of the stripe length. iVl Stripe resistances divided by its length as the functions of the stripe width.

SWCNT stripes with Cr/Au contacts. The resistances of SWCNT stripes were extracted from the I—V characteristics. All the measured 1— V curves have shown linear or almost linear dependence revealing ohmic or close to ohmic behavior of SWCNT-Au contact, as illustrated by several typical examples in the Supporting Information (section S4).

Figure 5b,c shows the normalized stripe resistances, R, as a function of the stripe length and width, correspondingly The R X w dependences scale almust linearly (the scaling exponent is about 0.95) at the lengths above 50 /¿m. However, as expected, the points corresponding to the shortest measured stripes with the length of 10 fan do not follow the linear sealing law. Previously, similar behavior was described to correspond to the transition from ballistic to diffusive transport m randomly oriented networks. Figure Se shows that the measured

resistances scale as w~ \ which is typical for SWCNT networks far above the percolation thresholdTherefore, in patterns with the linewidth above 1 ¿fin and the cell size above 50 /im, the random character nf SWCNT networks can be neglected.

We note that SWCNT layers remain flexible after patterning The results of bending tests of patterned SWCNT layers on flexible a polydimethylsiloxane (POMS) substrate are given in the Supporting Information (section S5).

The correlation between transmittance, T, and sheet resistance, R, is correspondingly given either by eq 5 or by eq 6 for continuous and patterned SWCNT films. Figure 6

Figure 6. Theoretical dependences (dashed lines) and experimentally based values (symbols) of the TCF figure of merit and equivalent sheet resistance for SWCNT films. The area shaded with a green color shows the predicted FoM and i.',J{] of patterned SWCfJT TCF corresponding to the state-of-the-art in SWCfJT .synthesis.

shows FoM and values plotted as functions of Ta for continuous (solid lines) and patterned (dashed lines) SWCNT layers at fixed T. The diamond symbols in Figure 6 demonstrate the experimentally obtained values of for the patterned SWCNT layers with the 95% transparency. The best experimentally observed results for the continuous SWCNT films (R*, = 17-42 Q/HP1-w"41) are marked by the star and pentagon marks.

In our experiments, the resistance of the SWCNT films decreases inversely proportional to their thickness from 90 to 360 nm, while the transmittance of the films dropped from "J"u - O.W to 0.16. Nevertheless, SWCNT film patterning provides high transmittance values even in the case of initially thick layers. A similar patterning strategy can be used for the state-of-the-art SWCNT films (R*, ^ 17-42 The

estimated FoM and .R^ values for the patterned state-of-the-art SWCNT films correspond to the green region between dashed lines in Figure 6.

Patterning of SWCNT layers first results in a rapid increase in the R^ values with a 7'u decrease, and then, the patterned SWCNT films show considerably lower jRw values when compared to the continuous or patterned layers with higfi T^. Therefore, patterning of SWCNT films was concluded to be a reliable approach to overcome the trade off between resistance and transmittance of the continuous SWCNT layer The improvement of the patterned layers can be achieved using SWCNT films with low initial transmittance, Tj, and high conductivity.

As can be seen, Ji,jtl values of patterned layers with initially low transmittances might achieve 10 Q/l |H which is comparable with the best results for ITO continuous layers on rigid substrates. At the limit of low transmittance, eq 3 can

hhpajAda Joicf jrin.1 StlfioniUcllffi ACSApfH- Maicr. Anrcnfatts XXKX, XXX. XXX-XXK

ACS Applied Materials & Interfaces

www.acsami.org

Research Article

be reduced to T at I — /. In this case, — 1 — \ T, which gives the ratio of about 0.05 for the 90% transmittance and about 0.02 for the 95% transmittance. Therefore, the minimal experimentally obtained linewidth of 1 fim gives the estimated lower limit for the grid period between 20 and 50 ftm.

However, the use of patterned electrodes can be inefficient in the structures with the carrier mean free path below the grid period.'' In this case, the patterned layers may be effectively combined with highly transparent continuous thin SWCNT films. The transmittance and resistance of these TCFs can be estimated as T = T^ ■ TM and R" = R^ ♦ K^ respectively. Here, T^,, and are the transmittance and the sheet resistance of the patterned layers; TicM and K,*,, are the transmittance and the sheet resistance of the continuous film. Thus, we evaluate the FoM of the bilayered TCF as a function of Tcoa, and r„ of the patterned layer. Figure 7 shows that the

0 6. 0.4.

E

5 0.7

f

02

Figure 7. Theoretical calculations of the figure of merit and the equivalent resistance for the combination of patterned and continuous bilayered TCF as a dependence of transmittance of a continuous layer TM and transmittance of the original film, Tq.

maximal FoM (and minimal R^,) can be obtained for the combination of a highly transparent continuous layer and a patterned layer made of highly conductive SWCNTs. We note here that the FoM of the bilayered structure is slightly lower than the FoM of the single patterned layer; nevertheless, the maximum value is still comparable with the best results for ITO. Meanwhile, SWCNT films have potential for superior flexibility and stretchability, which opens new avenues for commercial applications beyond the ITO.

■ CONCLUSIONS

We have shown that patterning of SWCNT films is an effective approach to overcome the high transmittance and conductivity trade-off limitations for TCFs. We have presented the model predicting the transmittance and sheet resistance of patterned SWCNT films and demonstrated the consistency of characteristics with the experimental results. We have shown that our fabrication procedure for patterning using the combination of optical laser lithography and dry etching in oxygen plasma causes no significant change in SWCNT structure or composition. The systematic studies of the SWCNT patterns revealed the negligible role of random orientation of nanotube networks in SWCNT patterns with linewidth above 1 |<m and stripe length above 50 //ra. Furthermore, the produced patterned layers show flat transmittance spectra and only a slight decrease in the UV range instead of sharp decline observed in the continuous SWCNT films.

Our theoretical results were extended to analyze the performance of patterned SWCNT films in terms of FoM and Rm equivalent sheet resistance. We conclude that patterned SWCNT TCFs with low initial transmittance and high conductivity show superior characteristics in comparison to continuous SWCNT films. We also have investigated the approach based on the combination of a highly transparent continuous film and a highly conductive patterned layer, which can be used in structures with a low charge carrier mean free path. Moreover, we have demonstrated that the patterned SWCNT layers solely, as well as in combination with thin continuous films, can outperform the ITO electrodes on both flexible and rigid substrates. We believe that the proposed strategies pave the way for an efficient and extended functionality of TCFs on the basis of patterned SWCNT films.

■ METHODS

CVD Synthesis and Doping. Films of randomly oriented SWCNTs synthesized by the aerosol chemical vapor deposition (CVD) method were deposited on a nitrocellulose filter at the outlet of the reactor as previously described elsewhere/" ' Prior to patterning, the films of SWCNTs were transferred either onto a clean quartz substrate or on a substrate with predeposited metallic contacts.

Cr/Au (5/70 nm) contacts were deposited on quartz substrates before the SWCNT transfer by electron-beam physical vapor deposition (for Cr) and thermal evaporation (for Au) using a Boc Edwards (UK) Auto 500 setup operating at 5 X 10 * mbar. Prior to the deposition of metals, the surface of the quartz substrate was cleaned sequentially in acetone, deionized water, isopropyl alcohol, and again in deionized water using an ultrasonic bath.

After the deposition of Cr/Au contacts, the SWCNT films were transferred onto the quartz substrates, processed with isopropyl alcohol for densification, and then doped in tetrachloroauric (III) acid trihydrate (HAuCl4-JH,0, ACROS Organics) dissolved in ethanol (EtOH; 99.5%, ETAX).1'

Patterning of SWCNT Layers. The patterns of SWCNTs were produced using a combination of optical laser lithography and dry etching in oxygen plasma. We have used the laser lithography system Heidelberg Instruments Mikrotechnik DWL 66 FS setup (Germany) with an AZ MIR 701 photoresist (MicroChemicals GmbH) and an A2 726 M1F developer (MicroChemicals GmbH). The following dry etching was performed in a Plasma System V 15-G (Germany) at an MW-power of 400 W (O, flux of 60 mL/min, J Pa) during 360, 420, 480, and 540 s for 90, 180, 270, and 360 nm SWCNT thickness, correspondingly. The grids of SWCNT networks were masked by a photoresist during the etching To ensure uniform grid transmittance of T = 95% of patterned SWCNT layers, we used different width of the stripes from 8 to 15 /'ill. while the cell period remained constant (-240 |im).

Raman Spectroscopy. Raman spectroscopy was performed using the Horiba (Japan) LabRam HR800 system with backscattering collection geometry. The measurements were carried out at room temperature (300 K.) and resonance conditions with a A = 784-5 nm (1.58 eV) diode-pumped solid-state laser operating in a continuous wave regime.

■ ASSOCIATED CONTENT O Supporting Information

The Supporting Information is available free of charge at

https://pubs.acs.org/doi/10.1021 /acsami.Oc 14783.

(Section SI) Model extension to the cases of triangle and hexagonal shapes of the grid cell, (Section S2) dependence of patterned film transmittance as a function of the filling factor, (Section S3) analytical solution of eq 7 within a linear approximation, (Section S4) /—V

hltpi. dxao.of^'1010i*i'jc*ami.Dcl47B3 ACS Appl Mater Virerftxei XXXX. XXX. XXX XXX

ACS Applied Materials & Interfaces

characteristics of patterned SWCNT layers, and (Section S5) results of the bending tests of patterned SWCNT layers (PDF)

■ AUTHOR INFORMATION Cot responding Authors

Dmitry Alitin — Suini Petersburg Academii University, St. Petersburg 194021, Ruuid; Peter the Great Si. Petersburg Polytechnic University, St. Pflirihrirg 19525I, Russia; (3 oreid.org/OOCM)- 0003-4517-0S07; Email; mLtLndm<ai mnlLru

Albert G. Nasibulin — Stitifciw) ¡miUutc of Science and Technology, Moscow 12I20S, Russia; Aalto University, Fi-00076, Aalto, Espoo, Finland; « orcid.org/0000-0002-1684-394K; EmaiL a_nasibulin(it>skoltuch.ni

Authors

Yury Berdnikuv - 1TMO University, St. Pitoiturg 197101,

Russia; m orcid.org/OOOO-0OO2-16.3O-15S9 Alexandr Vorobyev — SainJ Petersburg Academic University, St. Petersburg 194021, Russia; (3 0rcid.org/0000-0003-2077-1243

Alexey Mozharnv — Sflinl Petersburg Academic University, Sf.

Petersburg 194021, Russia Sergei Raudik — Srtjjii Petersburg Academic University, St. Petersburg I94C21, Russia; Stolkovc Institute of Science and Technology, Masciiv 121205, RuiSrit Ulga koval — Sitirif Pflirttur^ Academic University, Si. PeiCTibrirj 194021, Russia; $ Oreid.Org/0000-0002-1370-474X

Vladimir Neplukli — Sditfl Petersburg Academic University, St. Petersburg 194021, Russiai »oreid.org/OOOO-OOQl-illSS-0681

Eiduard Moiscev — jVilIj'fii>i[l/ Kiiiitrch University Higher

School of Economics, St- Petersburg i 9000S, Rnijiii Daniil [latovskii - Sitiifciu'd Institute of Science and Technology, Moscow 121205, Russia; »orcid.org/0000-0003 3633 2309 [van .MuLJiin - SamJ Petersburg Academic University, St. Petersburg 194021, Hr№ifl; 1TMO University, St. Petersburg 197101, RuwjV]

Complete contact information is available at https: / /pubs.acs.org/10.1021 /acsami.Oe 147S3

Author Contributions

' D M. and Y.B. contributed equally. The manuscript was written through contributions of all authors. All authors have given approval to the final version of the manuscript. Notes

The authors declare HO competing inland ¿J intLTcvt.

■ ACKNOWLEDGMENTS

The reported study on the SWCNT sheet resistance and transparency modeling was funded by RFBR, project number 19-38-60008. DM and S.R. acknowledges the Russian Science Foundation for the support of the metal contacts' fabrication and L—V-investigations (project no. 19-79-00074). JVG.N. and D.L acknowledge the Russian Science Foundation for (he support (synthesis and doping of SWCNTs) by project no. 1719-01787. The authors thank (he Saint Petersburg State University Center Tor optical and laser materials research for SWCNT transmission spectrum measurements.

wwwac5aiii.org

■ ABBREVIATIONS

SWCNT, single-walled carbon nanotube

TCF, transparent conductive film

ITÜ, indium-tin-oxide

FoM, figure of merit

CVD, chemical vapor deposition

LED, light-cmit(ing diode

■ REFERENCES

(1J McLellan, 1С, Yoon, Y.¡ Leung, 1 N.¡ Ко. S. H. Recent Progress in Transparent Conductors Based on Nanomaterials: Advancements an J Challenges. Adv. Mater. Tech nil. МЫ, .:>., 1WÜ93V.

(2) Wang, X.; Liu, Z.r Zhang T. Flexible Sensing Electronics lor Wearable/Attachable Health Monitoring. Small 2« 17, J J, 1602740.

(3) Morales-Masis, M_j De Wolfi S.¡ Woods-ftobinson, Й_; Ager, JL W.j li.i lir, C. Transparent Electrodes for Efficient Optoelectronics. Adv. Electrón. Mater. 2017, j, lriOGtfU.

(4} Mitin, D. M.; Bolshakov, A_ D.¿ Neptoldi, V.¡ Mozharov, A M_; Raudik, S. A_j Ftdorov, V. V.j Shugurov, K_ Y.; Mikbailovskii, V. Y.¡ Rajanna, P. M.j Fedorov, F. S Nasibulin, A. G.; Mukhin, I. S Neve] Design Strategy for GaAs-based Solar Cell by Application of Singlewalled Carbon Nanotubes Topmost Layer. Energy Sri. En£. 2020, N, 29JÍ-2945.

(5) Han, T. H.r Jeong, ! R; Lee, Y.¡ Seo, H K_f Kwon, S-J.¡ Park, M.-H.; Lee, T.-W. Flexible Transparent Electrodes for Organic Light-Emitting Diodes. ;. Inf. Diip. 20IS, ¡ó, 71-Í4.

(6) Naka, S. Transparent Electrodes for Organic Light-Emitting Diodes. In T-rrtnsprtrepii ümdiicíiK Materials-, Wiley-VCH Vrerlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 20 IS; pp. 3D I-315. DOI: IU.IU0Z/97E3527!iQ46D.3.chS_2.

(7) Kang, С. Hi Shen, C .¡ Saheed, M. S. M,, Mohamed, N. M., Ng, T. K.¡ Ooi, ti S. ISiirhanudin, Z. Л- Carbon Nanotube-Craphene Composite Film as Transparent Conductive Electrode for GaN-£5ased Light-Emitting Diodes. Appf. Phys. Lett. 20 ló, JW, No. OS 1902.

Lopez-Naranjo, E. I. Gonzalez-Ortiz, L. |, Apátiga, L M, Rivera-Muhoz, E. M.r Manzano-Ramirez, Л. transparent Electrodes: A Review of the Use of Carbon-Based Nanomatenals. ,'. Nupiemdfer. 201Í, 2016, 1-12.

(?) Fukaya, N.¡ Kim, D. Y.¡ kushimoto, S.j Nodi, S.F Ohno, Y. One-Step Sub-10 fj m Patterning of Carbon-N anotube Thin Films For. ACS Шло 2014, 4, 3 lSS-3291

(10) An, I> W.j Gwak. E - l , Kim, K_j Kim, Y.-C.¡ Jang. J.¡ Kim,J_-Y.; Park, J.-U. Stretchable, Transparent Electrodes as Wearable Heaters Using Nanotrough Networks of Metallic Classes with Superior Mechanical Properties and Thermal Stability. Aldno Lett. 20 tú, 16, 471-47S

(11) Jiang, S.j Hou, P.-X-j Liu, C.¡ Cheng, H.-M. High-I^rfonnance Single-Wall Carbon Nanotube Transparent Conductive Films, j. Mater. Sci. Technol 3014. ji, 2447-2462.

(12) Mei-Zhen, G.; Job, R.; De-Sheng, X.; Fahmer, W. R_ Thickness Dependence of Resistivity and Optical Reflectance of ITO Films. Oji"m. PJivi. left. 20«a, 25, 1380-1ЗЯЗ-

(13) Hofniann, A. l.¡ Cloutet, E.; Hadziioannou, C. Materials lor Transparent Electrodes: From Metal Oxides to Organic Alternatives. Adv. ElirtroB. Mater. 2[Hi, 4, 17U0412.

(14) Kumar, A.¡ Zhou, C. The ftace To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Materia] Will Wini ACS Mjfijj 2010, 4, 11-14.

(15) Park, J ; Hyun, Q. C.¡ An, 15. W ; Im, H.-tj Park, Y.-C ; Jang. J.; Park, J.-U.j йае, B.-S. Flexible Transparent Conductive Films with High Performance and Reliability Using Hybrid Structures of Continuous Metal Manofiber Networks for Flexible Optoelectronics. ACS Appl. Milter Interfaces 2017, 9, 202W-2U30S.

(IS) Choi, K_-H.; Nam, H -J ; Jeong J. A.; Cho, S-W.¡ Kim, H.-K_; Kang, J.-W.; Kim, D.-C.f Cho, W.-J. Highly Ffeiible and Transparent InZnSnOx/Ag/tnZnSnOi Multilayer Electrode for Flesibfe Organic Light Emitting Diodes. Appl. i'fivi Lett. 200S, 92, 22И02.

Jciac "10 I Oi 1 ■Jciúrri.Lx 1 -,'yj ACS Mir. ' - ИЯ*. HX XXX -XXX

ACS Applied Materials & Interfaces

(l?) Ellmer» KL Past Achievements and Future Challenges in the Development of Optically Transparent Electrodes. Nat. Photonics 2012» 6, 809-817.

(18) He» X.j He, EL.; Lan, Q..; Wu» W.; Duan, F.» Xiao J.; Zhan£, M.; Zing, Q.; Wu, J.; Liu, J. Screen-Printed Fabrication of PEDOT:PSS/ Silver Nanowire Composite Films for Transparent Heaters. Materials (Basel). 2017, JO, 220.

(19) Huang, S.; Liu, Y.j Gua» C. F.j Ren» Z. A Highly Stretchable and Fatigue-Free Transparent Electrode Based on an In-Plane Buckled Au N Am ot rough Network. Adv. Electron. Mater. 2017» 3» 1600534.

(20) Aloui, W.; Ltaief, A.; Bouazizi, A. Transparent and Conductive Multi Walled Carbon Nanotubes Flexible Electrodes for Optoelectronic Applications. Si^fflaiiicK MfcirasirMrt. 2013, 64, 581—589'.

(21) Tsapenko, A. P.; Goldt, A. E.; Shulga, Rj Popov, Z. L; Maslakcv, K. L; AnisLmov, A S.; Sorokin, P.. B.; Nasibulin, A. G-Highly Conductive and Transparent Films of HAuCl4-E>oped SingleWalled Carbon Nanotubes for Flexible Applications. Gartmi JY. F. 2018. 130, 448-457.

(22) Wu, Z.; Chen, ZDm, X.;: Logan, j.; Sippel, J.; Nikolou, hi; Kamaras, K.; Reynolds, J.; Tanner. D.; Hebard, A.; kinzler, A. G-Transparent, Conductive Carbon Nanotube Films.. Somcc 2004, .305, 1273-1276.

(23) Ostfeld, A. E.; Catheline, A.? Ligsay, K.; Kim, KL CL3 Chen, Z.; Facchetti, A.; Fogden, S.; Arias, A C. Single-Walled! Carbon Nanotube Transparent Conductive Films Fabricated by Reductive Dissolution and Spray Coating For Organic Photovoltaks. Appi Phys. Lett. 2014, 105, 25330 L

(24) Cilshteyn, E. P.; Lin, S.; Kondrashov, V. A.; Kopylova, D. S.; Tsapenko, A P.; Anisimov, A $.-, Hart, A J.; Zhao, X.; Nasibulin, A G- A One-Step Method of Hydrogel Modification by Single-Walled Carbon Nanotubes for Highly Stretchable and Transparent Electronics. ACS AppL Mater Interfaces 2018, JO, 28069 -28075.

(25) Sun, D.; TLm.nnerm.ans, M. Y.; Tian, Y.; Nasibulin, A. G.; Kauppinen, E. L; Kishimotc, S.- Mizutani, T.; Ohno, Y. Flexible HighPerformance Carbon Nanotube Integrated Circuits. Nat. NanotechnoL 2011» 6, 156-161.

(26) Aguirre, C.. M.; Auvray, S.; Pigeon, S.; Izquierdo, R.; Desjardlns, P.; Martel, R. Carbon Nanotube Sheets as Electrodes in Organic Light-Emitting Diodes. AppL PJrw. Lett. 2006, №r 183104.

(27) Kaskela, A.; Laiho, P.; Fukava, N4 Mustonen, K.; Susi, T.; Jiang, H.; Houbenov, N.; Ohno, Y.j Kauppinen, E. I. Highly Individual SWCNTs for High Performance Thin FiEm Electronics. Cariwn N. Y 2016, I03, 228- 234.

(28) Nasibulin, A. G.; Kaskela, A.; Mustonen, K..; An is imov, A. S.; Ruiz» V.; Kivisto» S.j Radcauskas» S.j Timmermans, M. Y.j Pudas» M_; Aitchison, B.; Kauppinen, M.; Brown, D. P.; Okhotnikov, O. G.; Kauppinen, E. I. Multifunctional Free-Standing Single-Walled Carbon Nanotube Films. ACS nana 2011, 3214-3221.

(29) Preston, C-3 Xu, Y.; Han» X.; Monday, J. N.; Hu, L. Optical Haze of Transparent and Conductive Silver Nanowire Films. Natio Res. 2013, 6, 461-468

(30) Hecht» D. S.; Thomas, D.; Hu, L3 Ladous, C; Lam, T- Park, Y.j In/in, G.; Draaic, P. Carbon-Nanotube Film on Plastic as Transparent Electrode for Resistive Touch Screens. J. Sac. Inf. Disp. 2009, 17,941-

(31) Hu, L.; Hecht, D. S.- Griiner, G. Carbon Nanotube Thin Films: Fabrication, Properties, and Applications. Okjw. Rev. 2010, J10, 5790-5844-

(32) Zhou, Y.» Hu, L.; Griiner, G„ A Method of Printing Carbon Nanotube Thin Films. AppL Phys. Lett. 2006, «5, 14-17.

(33) -Vlustonen. K.,; Laiho, P.» Kaskela, A; Susi, T.; Nasibulin, A. G.; Kauppinen, E. I. Uncovering the Ultimate Performance of SingleWalled Carbon Nanotube Films as Transparent Conductors. AppL Phys. Lett 2015» J07, 1-6.

(34) Hussain, A.; Liao, Y.- Zhang, Q. ; Ding, E. X.; Laiho» P.; Ahmad, S-3 Wei» N.; Tian, Y.; Jiang» H.r Kauppinen» E_ I. Floating Catalyst C\TJ Synthesis of Single Walled Carbon Nanotubes from Ethylene for High Performance Transparent Electrodes. Nanosealt 2018» ID, 9752-9759-

(35) Anoshkin, 1. V.; Nasibulin, A. G.; Tian, Y.; Liu, B.; Jiang, H..-Kauppinen, E. I. Hybrid Carbon Source for Single-Walled Carbon Nanotube Synthesis by Aerosol CVD Method. Carbon 2014, 78, 130-136.

(36) Kim, KL KL; Bae, ]. J.; Park, H. K.; Kim, S. M.; Geng, H. Z.; Parte, IC A; Shin, H.-J.f Yoon, S,-M.; Benayad, A; Choi, J. Y.; Lee, Y. H. Fermi Level Engineering of Single-Walled Carbon Nanotubes by AuCl 3 Doping. /. Am. Chem. See. 2008, J 30, 12757-12761.

(37) Kuang, P.; Park, J--M.; Leung, W.; Mahadevapuram» R. C.; Nal.wa, K. S.; Kim» T.-G.; Chaudhary, S.; Ho, K.-M; Constant, K. A New Architecture for Transparent Electrodes: Relieving the Tradeoff Between Electrical Conductivity and Optical Transmittance. Adv. Mater. 2011» 23., 2469-2473.

(38) Saive» R.- Borsuk, A. M.j Emmer, H. S.; Bukowsk)', C. R_; Lloyd, J. V.; Yalamanchili, S.; Atwater, H. A Effectively Transparent Front Contacts for Optoelectronic Devices. AtJip. Opt Mater. 2016, 4, 1470— 1474-

(39) Jiang, S.; Hou, P. X.; Chen, M.-L; Wang, B. W.; Sun» D. M.; Tang, D.-M.; Jin, Q.; Guo, Q. X.; Zhang, D.-D.3 Du, J.-H.j Tai, KL-P.; Tan, J.; Kauppinen, E. 1.; Liu» C.; Cheng, H.-M. UltrahighPerformance Transparent Conductive Films of Carbon-Welded Isolated Single-Wall Carbon Nanotubes. Sri. Adv. 2018, 4> eaap9264.

(40) Khabushev, E. M.; Krasnikoy, D. V..; Zaremba, O. T.; Tsapenko, A. P.- Goldt, A E.i Nasibulin, A. G. Machine Learning for Tailoring Optoelectronic Properties of Single-Walled Carbon Nanotube Films. /. Phys, Chem. Lett. 2019» JO» 6962-6966.

(41) Rapanna, P. M.j Meddeh, R; Ser^eev, O.; Tsapenko, A. P.; Bereznev, S.; Vehse, M.; Volobujeva, O.i Danilson, M.f Lund, P. D.; Nasibulin, A G. Rational Design of Highly Efficient Flexible and Transparent P-Type Composite Electrode Based on Single-Walled Carbon Nanotubes. Nanfl Ettirgy 2020, 67, 104183-

(42) Kim# S. L; Lee» K. W.f Sahu, B. B-j Han, J. G. Flexible OLED Fabrication with ITO Thin Film on Polymer Substrate. Jpn. /. AppL Phys. 2015, 54, 090301.

(43) Fraser, D. B.; Cook, H. D. Highly Conductive, Transparent Films of Sputtered In.^Sn /. Ekctrochem Soc. 2007, 119, 1368.

(44) De, S.; King, P. J.; Lyons, P. E.- Khan, U,; Coleman» J. N. Size Effects and the Problem with Percolation in Nanostructured Transparent Conductors. ACS Nam* 2010» 4, 7064-7072.

(45) L>res5eEhaus, M. S.j Jorio, A; Hofmann, M.; Dresselhaus, G-; Saito, R. Perspectives on Carbon Nanotubes and Graphene Raman Spectroscopy. Nana Lett. 20105 JO, 751-758.

(46) L>resse[haus, M. S.i Dresselhaus, G.f Saito, R.; Jorio, A. Raman Spectroscopy' of Carbon Nanotubes. Phys. Rep. 2005, 409» 47-99-

(47) Behnam, A; Noriega» L_; Choi» Y.f Wu, Z.- Rinzler, A G.j Ural, A. Resistivity Scaling in Single-WaDed Carbon Nanotube Films Patterned to Submicron Dimensions. AppL Phys, Lett. 2006, 89, 8790.

(48) Snou% E. S.; Novak, J. P.; Campbell, P.. M..; Park, D. Random Networks of Carbon Nanotubes as an Electronic Material. Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 2145-2147.

(49) MillithaJer, J. F.; Reggiani, L.; Pousset, J.; Varani, L.; Palermo, C_; Knap, W.; Mateos, J.; Gonzalez, T..; Perez, S.j Pardo, D. A Monte Carlo Investigation of PEasmonic Noise in Nanometric N-ln O.53CaQ47As Channels. /. Stat Meeh. Theory Exp. 2009, 2009, No. P01040.

(50) Kumar, S.- Murthy, J. Y.; Alam, M. A. Percolating Conduction in Finite Nanotube Networks. Phys. Rev. Lett 2005., 9S, No. 066B02.

(51) Tiedje» T.r Cebulka, J. M - Morel, D L.; Abeles» B. Evidence for Exponential Band Tails in Amorphous Silicon Hydride. Piivs- ftfi1- Lett. 1981» 46» 1425-1428.

(52) Moisala» A.; Nasibulin, A G.; Bro^wn» D. P.; Jiang, H.j Khriachtchev, L- Kauppinen, E.. I.. Single-Walled Carbon Nanotube Synthesis Using Ferrocene and Iron Pentacarbonyl in a Laminar Flow Reactor. Chcm. Eng. Sci. 2006. 6J, 4393-4402.

(53) Tian, Y.; Timmermans, M. Y.; Krvnsto, S^.; Nasibulin, A. G-; Zhu, Z.i Jiang H.j Okhotnikov, O. G.; Kauppinen, E. I. Tailoring the Diameter of Single-Walled Carbon Nanotubes for Optical Applications. Nil no Res. 2011, 4, 807-815-

hts w:1 i'd m jdoi of n.1' 10-1021 jacsam. Dcl4 7B3 ACS Appi. Mater, inrerftunss XXXX, XxX, X»(-K)iX

HE JOURNAL OF

PHYSICAL CHEMISTRY

LETTERS

A J-LjUHHiM. Of THC AHCHKAN LHIHUJU VjCllTl

pubsjcs.org/JPCL

Tuning the Optical Properties and Conductivity of Bundles in Networks of Single-Walled Carbon Nanotubes

Dmitiy Mi tin,* Aicxaudr Vorabyev, Alexander Pavlov,, Yury Berdnifcov, Alexcy Mozharov,

Vladimir MikJiailovskii, Javier A Ramirez B, Dmitiy V, Krasnikov, Daria S. Kopylova,

Dcmid A. Kii'ilcnko, Maxim Vinnichcnko, Roman Polozkov, Albert G. Nasibulm,* and Ivan Mukhin

Cite Ulis: J. Phys. Chera. left. 2022, 13, 3775-8782

Read Online

II 2-1 i "

II

vi

P

S i > 2

Hi

t f * i

¿3

* 5,

« B

IÜ -g

k!

fc s

■-JI lî

- JS , i.

II

^

ACCESS I

I,III Metrics £ More

Jgj] Anicle Recommendations

0 Supposing Information

ABSTRACT: The films of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are a promising qttl-SWCNT S-SWCNT material for flexible transparent electrodes, which performance depends not only on the ~~