Wetenschappers van Skoltech en hun collega's uit Rusland en Finland hebben een niet-invasieve manier bedacht om de dikte van enkelwandige koolstofnanobuisfilms te meten, die toepassingen kunnen vinden in een breed scala van gebieden, van zonne-energie tot slim textiel. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Een enkelwandige koolstofnanobuis (SWCNT) is in wezen een vel grafiet van één atoom dik dat in een buis wordt gerold. Ze zijn een allotroop (een fysieke vorm) van koolstof, net als fullerenen, grafeen, diamant, en grafiet. SWCNT's zijn veelbelovend in verschillende industriële toepassingen, variërend van zonnecellen en leds tot ultrasnelle lasers, transparante elektroden, en slim textiel.

Al deze toepassingen, echter, vereisen vrij nauwkeurige metingen van SWCNT-filmdikte en optische eigenschappen. "Filmdikte is voor veel toepassingen vrij belangrijk en wordt meestal gekenmerkt door hoeveel licht door de film kan worden overgedragen in het zichtbare spectrale bereik:hoe hoger de transparantie, hoe minder de dikte van de film. Echter, nauwkeurige controle over filmdikte en optische constanten is van cruciaal belang wanneer men efficiënte transparante elektroden moet ontwerpen. Bijvoorbeeld, we moeten de dikte weten om de antireflectie-eigenschappen van het oppervlak te verbeteren op basis van transparante SWCNT-vensterlaag voor zonnecellen. Om de mechanische eigenschappen van SWCNT-films te schatten en vervolgens te gebruiken, we moeten de geometrische afmetingen van de films voorspellen, " zegt professor Albert Nasibulin, hoofd van het laboratorium voor nanomaterialen bij Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials

Bestaande methoden voor metingen van optische constante omvatten absorptie- en elektronen-energieverliesspectroscopieën, terwijl geometrische parameters kunnen worden bepaald door transmissie-elektronenmicroscopie, scanning elektronenmicroscopie of atoomkrachtmicroscopie. Deze methoden zijn niet efficiënt en vereisen monstervoorbereiding, die van invloed kunnen zijn op de eigenschappen van SWCNT-films die men probeert te meten.

Een team van onderzoekers onder leiding van Albert Nasibulin van Skoltech en Aalto University was in staat om een ​​snelle, contactloos, en universele techniek voor nauwkeurige schatting van zowel SWCNT-filmdikte als hun diëlektrische functies. Ze bedachten een oplossing om spectroscopische ellipsometrie (SE) te gebruiken, een niet-destructieve, snel, en zeer gevoelige meettechniek, voor SWCNT-films.

"Ellipsometrie is een indirecte methode die we kunnen gebruiken om filmparameters te bepalen, en standaardmethoden van gegevensverwerking zijn hier niet altijd van toepassing. Op het eerste gezicht, een dunne film van koolstof nanobuisjes is een zeer moeilijk object voor deze techniek:bestaande uit vele miljoenen willekeurig georiënteerde individuele en gebundelde buizen van nanometerformaat, het heeft een sterke absorptie in het gehele spectrale bereik, lage reflectie en anisotropie in zijn optische eigenschappen. Hoe dan ook, de eerste auteur van het artikel, Georgi Ermolaev, een student van een gezamenlijk Skoltech-MIPT masterprogramma, heeft een elegant algoritme gevonden om de dikte en optische constanten in een enkele set optische metingen te achterhalen, " zegt Yuriy Gladush, een van de co-auteurs van het artikel.

De onderzoekers vervaardigden SWCNT-films van variërende dikte en absorptie tussen 90% en 45% bij 550 nm en bepaalden de breedband (250-3300 nm) brekingsindex en de bijbehorende dikte van de films.

"Er werd verwacht dat optische eigenschappen zouden afhangen van de dichtheid van de verpakking van de koolstofnanobuisjes in de film, maar de verrassing was hoe groot dit effect is. Een enkele druppel ethanol kan de film comprimeren of verdichten en de brekingsindex veranderen van 1,07 in 1,7, het openen van eenvoudige mogelijkheden om de optische eigenschappen van de SWCNT-films aan te passen, ", voegt Albert Nasibulin toe.

Het team gelooft dat andere wetenschappers kunnen voortbouwen op hun werk en, onder andere, gebruiken hun benadering buiten het domein van koolstofnanobuisjes voor andere soorten van deze structuren.