Российские исследователи вместе с финскими коллегами придумали новый бесконтактный способ замера толщины пленок из однослойных углеродных нанотрубок. Он найдет применение в разных областях — от солнечной энергетики до умной ткани. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Однослойная углеродная нанотрубка (ОУНТ) — одна из аллотропных форм углерода наряду с фуллеренами, графеном, алмазом и графитом. Такие структуры уже находят применение в солнечной энергетике, при производстве «умного» текстиля и материалов с повышенными механическими свойствами. Но в некоторых областях применения этого материала необходимо довольно точно знать толщину пленки и ее оптические свойства.

«Толщина пленки определяет количество света, которое она может пропускать в видимом диапазоне. Таким образом, чем выше прозрачность пленки, тем меньше ее толщина. Помимо этого контроль толщины пленки и ее оптических постоянных важен при создании эффективных прозрачных электродов. Например, в случае солнечных батарей изменение толщины пленки позволяет улучшить антиотражающие свойства поверхности прозрачного слоя из ОУНТ. Для оценки и последующего использования механических свойств пленок ОУНТ необходимо сначала знать их геометрические размеры», — говорит руководитель Лаборатории наноматериалов Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий Альберт Насибулин.

На сегодняшний день, чтобы измерить оптические свойства таких материалов, ученые применяют методы абсорбционной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронами, а чтобы выяснить геометрические параметры, используются просвечивающая и сканирующая электронная микроскопии или атомно-силовая микроскопия. Эти способы довольно трудоемкие, и для их реализации требуется дорогое оборудование и предварительная подготовка образцов. Все это может повлиять на измеряемые свойства пленок ОУНТ.

Исследователи смогли разработать быстрый, универсальный и бесконтактный способ, позволяющий точно оценивать толщину пленок ОУНТ и их диэлектрических функций. Для этого авторы решили использовать быстрый и высокочувствительный неразрушающий метод спектроскопической эллипсометрии.

«С помощью эллипсометрии в стандартном виде можно измерять параметры пленки, но, к сожалению, далеко не всегда этот метод позволяет получить удовлетворительный результат. На первый взгляд может показаться, что такая пленка— это очень неудобный объект для эллипсометрии, так как она состоит из миллионов отдельных и связанных воедино нанотрубок нанометрового размера, которые расположены случайным образом. Такой материал сильно поглощает во всем спектральном диапазоне, слабо отражает и имеет высокую анизотропию оптических свойств. Но мы смогли создать вычислительный алгоритм, который позволяет получать данные о толщине и оптических постоянных пленок нанотрубок из одного набора оптических измерений», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник Сколтеха Юрий Гладуш.

Авторы создали пленки SWCNT различной толщины и измерили их параметры с помощью нового метода. Оказалось, что они поглощали от 90% до 45% излучения на длине волны 550 нанометров. Ученые также измерили коэффициент преломления материала в широком спектре (250–3300 нм).

«Мы думали, что оптические свойства пленок будут зависеть от плотности упаковки углеродных нанотрубок, но не ожидали, что эта зависимость окажется настолько значительной. Оказалось, что даже если добавить одну каплю этанола, то происходит уплотнение пленки, а коэффициент преломления увеличивается с 1,07 до 1,7. Это позволяет контролировать оптические свойства пленок ОУНТ», — подводит итог Насибулин.