Forskare från Skoltech och deras kollegor från Ryssland och Finland har kommit fram till ett icke-invasivt sätt att mäta tjockleken på enväggiga kolnanorörfilmer, som kan hitta tillämpningar inom en mängd olika områden, från solenergi till smarta textilier. Tidningen publicerades i tidningen Tillämpad fysikbokstäver .

Ett enkelväggigt kolnanorör (SWCNT) är i huvudsak ett ark grafit med en atomtjocklek som rullas in i ett rör. De är en allotrop (en fysisk form) av kol, ungefär som fullerener, grafen, diamant, och grafit. SWCNT har många löften i olika industriella applikationer, allt från solceller och lysdioder till ultrasnabba lasrar, transparenta elektroder, och smarta textilier.

Alla dessa applikationer, dock, kräver ganska exakta mätningar av SWCNT -filmtjocklek och optiska egenskaper. "Filmtjockleken är ganska viktig för många applikationer och brukar kännetecknas av hur mycket ljus som kan överföras genom filmen i det synliga spektralområdet:ju högre transparens, desto mindre tjocklek på filmen. Dock, exakt kontroll över filmtjocklek och optiska konstanter är avgörande när man behöver konstruera effektiva transparenta elektroder. Till exempel, vi behöver veta tjockleken för att förbättra ytorna mot reflektion av ytan baserat på ett transparent SWCNT -fönsterskikt för solceller. För att uppskatta och därefter utnyttja de mekaniska egenskaperna hos SWCNT -filmer, vi måste förutsäga filmens geometriska dimensioner, "säger professor Albert Nasibulin, chef för Laboratory of Nanomaterials på Skoltech Center for Photonics and Quantum Materials

Befintliga metoder för optiska konstanta mätningar inkluderar absorptions- och elektronenergiförlustspektroskopi, medan geometriska parametrar kan bestämmas genom transmissionselektronmikroskopi, svepelektronmikroskopi eller atomkraftsmikroskopi. Dessa metoder är resurseffektiva och kräver provberedning, vilket kan påverka själva egenskaperna hos SWCNT -filmer som man försöker mäta.

Ett team av forskare under ledning av Albert Nasibulin från Skoltech och Aalto University kunde designa en snabb, kontaktlös, och universell teknik för exakt uppskattning av både SWCNT -filmtjocklek och deras dielektriska funktioner. De kom på en lösning för att använda spektroskopisk ellipsometri (SE), en icke-destruktiv, snabb, och mycket känslig mätteknik, för SWCNT -filmer.

"Ellipsometri är en indirekt metod som vi kan använda för att bestämma filmparametrar, och standardmetoder för databehandling är inte alltid tillämpliga här. Vid första ögonkastet, en tunn nanorör tunn film är ett mycket svårt föremål för denna teknik:bestående av många miljoner slumpmässigt orienterade nanometerstora individuella och buntade rör, den har stark absorption i hela spektralområdet, låg reflektion och anisotropi i dess optiska egenskaper. Ändå, tidningens första författare, Georgy Ermolaev, en student på ett gemensamt Skoltech-MIPT-masterprogram, har hittat en elegant algoritm för att hämta tjockleken och optiska konstanter i en enda uppsättning optiska mätningar, "säger Yuriy Gladush, en av tidningens medförfattare.

Forskarna tillverkade SWCNT -filmer med varierande tjocklek och absorption mellan 90% och 45% vid 550 nm och bestämde brytningsindex för bredband (250–3300 nm) och motsvarande tjocklek på filmerna.

"Det förväntades att optiska egenskaper skulle bero på densiteten hos förpackningen av kolnanorören i filmen, men överraskningen var hur stor denna effekt är. En enda droppe etanol kan komprimera eller förtäta filmen och ändra brytningsindex från 1,07 till 1,7, öppna enkla möjligheter att justera de optiska egenskaperna hos SWCNT -filmerna, "Albert Nasibulin tillägger.

Teamet tror att andra forskare kan bygga vidare på sitt arbete och, bland annat, använda deras tillvägagångssätt bortom riket med kolnanorör för andra typer av dessa strukturer.