Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках настоящего проекта была освоена и отработана методика разделения путем двухфазной водной экстракции промышленно доступных одностенных углеродных нанотрубок российского производства на полупроводниковые и металлические фракции. Данная методика позволила получать дисперсии с чистотой полупроводниковых ОУНТ более чем 98 % и чистотой металлических ОУНТ более чем 86 % за один технологический процесс разделения. В рамках работ по разделению ОУНТ впервые было установлено, что неразделенные ОУНТ (производство г. Новосибирск) состоят из ~3/4 полупроводниковых и ~ 1/4 металлических ОУНТ. Для многих методов синтеза ОУНТ такое соотношение составляет 2/3 и 1/3 для полупроводниковых и металлических ОУНТ соответственно. Установлено, что концентрация металлических нанотрубок увеличивается при осуществлении разделения с предварительно охлажденными до 10 0С реактивами, что объясняется меньшей агломерацией нанортрубок на границе раздела фаз вследствие снижения диффузного фактора при уменьшении температуры. Впервые были проведены исследования оптически прозрачных тонких пленок различной толщины на основе неразделенных ОУНТ российского производства. Толщина ОУНТ пленок была от ~ 10 до ~ 80 нм. Диаметр ОУНТ был в диапазоне значений 1.6 – 1.8 нм. Было установлено, что существуют ОУНТ с длиной более 10 мкм. Оптимальная толщина тонкой ОУНТ пленки была ~ 15 нм, при которой пропускание было более 85 %. Удельное сопротивление тонких ОУНТ пленок было от ~1.5·10-3 до ~ 3·10-3 Ом·см при комнатной температуре. Было обнаружено, что поверхностное сопротивление возрастает при увеличении температуры. Исследования показали, что тонкие ОУНТ пленки имели слабую зависимость коэффициента Зеебека от температуры. Все образцы имели значение коэффициента Зеебека ~ 40 мкВ/K. Тонкие пленки показывали дырочный тип проводимости согласно знаку коэффициента Зеебека. Обнаружено, что фактор мощности 15 нм тонкой ОУНТ пленки снижается при повышении температуры примерно до 140 0С с ~ 120 до ~ 60 мкВт·м-1·K-2. При дальнейшем увеличении температуры фактор мощности начинал увеличиваться. Тонкие пленки на основе полупроводниковых и металлических ОУНТ были получены методом вакуумной фильтрации. Для этой цели был разработан процесс переноса пленки разделенных ОУНТ на несущую подложку при помощи операции растворения ацетат целлюлозного фильтра в ацетоне. Впервые проведены исследования термоэлектрических свойств тонких пленок на основе полупроводниковых нанотрубок, полученных из ОУНТ российского производства. Исследования показали, что коэффициент Зеебека был больше 100 мкВ/K в температурном диапазоне от 50 до ~ 100 0С. Было обнаружено, что при температурах ~150 – 180 0С менялся знак коэффициента Зеебека. Поверхностное сопротивление тонких пленок на основе полупроводниковых ОУНТ было ~ 1.5 – 2.5 МОм. С помощью реактивного магнетронного напыления на постоянном и импульсном токе были синтезированы оксидные нанослои оксида индия, оксида цинка, оксида титана, оксида олова, оксида железа, оксида вольфрама. Было установлено, что тонкие пленки оксида индия, полученные при комнатной температуре, были рентгеноаморфными. При отжиге при 300 0С пленки оксида индия переходят к поликристаллической структуре. Удельное сопротивление тонких пленок оксида индия изменялось от ~ 7·10-3 до ~ 5·10-1 Ом·см за счет отжига в атмосфере воздуха. Поверхностное сопротивление, при использовании 30 % объемной концентрации кислорода при напылении, составило более 100 МОм/квадрат для всех нанослоев кроме оксида индия. Для уменьшения поверхностного сопротивления оксида цинка была применена методика термодиффузного легирования. После легирования галлием поверхностное сопротивление образцов оксида цинка при комнатной температуре составило ~ 40 МОм/квадрат без потери оптической прозрачности. При использовании 30 % объемной концентрации кислорода при синтезе, ряд образцов, такие как оксид индия, оксид цинка, оксид олова и оксид титана визуально имели хорошую оптическую прозрачность. Образцы оксида цинка на стеклянных подложках имели прозрачность более 80 % в диапазоне длин волн от ~ 400 до 1200 нм.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках настоящего проекта продолжились работы по разделению одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) на полупроводниковые и металлические фракции с последующим получением на их основе тонких пленок с помощью вакуумной фильтрации. Были найдены оптимальные технологические условия для формирования тонких пленок из неразделённых, полупроводниковых и металлических ОУНТ с контролем толщины. Были исследованы структурные, оптические и термоэлектрические свойства образцов на основе неразделённых, полупроводниковых и металлических ОУНТ, полученных с помощью вакуумной фильтрации. Было найдено, что коэффициент пропускания для тонких пленок на основе ОУНТ был ≥ 80 % при толщине пленки < 40 нм. Установлено, что наибольший коэффициент Зеебека наблюдается для тонких пленок на основе полупроводниковых ОУНТ. Максимальный коэффициент Зеебека составлял 98 мкВ/К при температуре 170 °С. Тонкие пленки на основе неразделённых ОУНТ имели самое низкое удельное сопротивление – 7.5 10-4 Ом·см при комнатной температуре. Фактор мощности для тонкой пленки на основе неразделённых ОУНТ составлял 213 мкВт·м-1·К-2 при комнатной температуре. С повышением температуры фактор мощности снижался до 54 мкВт·м-1·К-2 при температуре 200 °С. Фактор мощности для тонкой пленки на основе металлических ОУНТ составлял 47 и 74 мкВт·м-1·К-2 при комнатной температуре и 200 °С соответственно. Максимальный фактор мощности для тонкой пленки на основе полупроводниковых ОУНТ составлял 2.8 мкВт·м-1·К-2 при 160 °С. Для тонких пленок на основе неразделённых ОУНТ коэффициент теплопроводности составлял 5.63 и 3.64 Вт·м-1·К-1 для 23 и 50 °С соответственно. Термоэлектрическая добротность была 0.011 и 0.016 при температурах 23 и 50 °С. Обнаружено, что при облучении интенсивным видимым светом тонких пленок на основе неразделённых ОУНТ в течение 4 минут приводило к увеличению сопротивления в ~ 1.5. При этом коэффициент Зеебека значительно увеличился по сравнению с необлученной тонкой пленкой на основе неразделенных ОУНТ. Оценка максимального значения термоэлектрической добротности облученной пленки на основе неразделенных ОУНТ составила ~ 0.062 при температуре 200 0С. С точки зрения прозрачных термоэлектрических материалов наиболее перспективными были нанослои на основе оксида индия, оксида цинка и оксида титана. Было установлено, что синтез нанослоев на основе оксида индия с помощью реактивного магнетронного напыления имеет хорошую повторяемость и является относительно простым технологически процессом по сравнению с синтезом оксида цинка и оксида титана. Были исследованы структурные, оптические и термоэлектрические свойства нанослоев легированного алюминием оксида цинка (ZnO:Al), выращенного с помощью атомно-слоевого осаждения. С помощью рентгеновской дифракции было обнаружено, что нанослои ZnO:Al имеют пики от плоскостей (100), (002), (110) и (201) гексагональной фазы ZnO. Плоскости (101) и (102) были обнаружены также с помощью электронной дифракции. Нанослои ZnO:Al пленки растут гладкими со среднеквадратичной шероховатостью Rq равной 0.33 нм и характерными размерами нанокристаллита ~ 70 и ~ 15 нм без дополнительных фаз связанных с алюминием или оксидами алюминия. Пропускание на длине волны 550 нм с учетом подложки составляло ~ 96 %. Были найдены коэффициенты преломления и поглощения тонких ZnO:Al пленок в диапазоне длин волн 250 – 900 нм. Максимальные значения для коэффициентов преломления и поглощения были 2.09 на длине волны 335 нм и 0.39 на длине волны 295 нм соответственно. Оптическая ширина запрещённой зоны составляла 3.56 эВ. Удельное сопротивление, коэффициент Зеебека и фактор мощности нанослоев ZnO:Al составляли ~ 1.02·10-3 Ом·см, ~ – 60 мкВ/K и 340 мкВт·м-1·K-2 при комнатной температуре соответственно. Максимальный фактор мощности достигал 620 мкВт·м-1·K-2 при температуре 200 0C. Оценочное значение термоэлектрической добротности нанослоёв на основе оксида цинка составило до 0.293 при температуре 200 0C. Были полученные наилучшие нанокомпозиты, где нижний слой был сформирован из ОУНТ с помощью вакуумной фильтрации, а верхний слой был на основе оксид цинка, выращенный с помощью атомно-слоевого осаждения. Сравнительный анализ показал, что фактор мощности для нанокомпозита оксид цинка/ОУНТ и чистого оксида цинка имеет значение 950 мкВт·м-1·K-2 и 755 мкВт·м-1·K-2 при 100 0С соответственно. Оценка значения термоэлектрической добротности для данного нанокомпозита составила 0.153 при 100 0С. Все полученные прототипы прозрачных термоэлектрических преобразователей на основе ОУНТ, проводящих оксидов и нанокомпозитов генерировали напряжение более 1 мВ.