Транспортные характеристики углеродных нанотрубок (УНТ) определяют возможность их дальнейшего использования в микроэлектронике [1-2]. Физические свойства нанотрубок зависят от их геометрии, и изменяются при воздействии давления, что может быть использовано в создании наноразмерных электромеханических связывающих устройств и преобразователей [2]. Известны работы по созданию термоэлектрических композитов, содержащих наноразмерные углеродные материалы. Малый размер кластеров позволяет достигать большей эффективности по сравнению с традиционно используемыми объемными термоэлектриками [3].
Актуальность темы определяется тем, что зависимость электрических и термоэлектрических свойств от структурного состояния углеродных нанотрубок, изменяющегося под действием давления, изучена недостаточно. Отсутствуют экспериментальные работы, посвященные изучению транспортных характеристик углеродных нанотрубок при высоких давлениях.
Работа направлена на изучение особенностей формирования фаз высокого давления углеродных нанотрубок, их электрических и структурных характеристик. Исследована связь особенностей барических зависимостей электрического сопротивления, коэффициента Зеебека, и относительной теплопроводности со структурными преобразованиями, происходящими в углеродных нанотрубках под действием высокого давления.
Цель работы - выявление особенностей формирования фаз углеродных нанотрубок, получаемых путем воздействия высокого давления на жгуты одностенных и двустенных углеродных нанотрубок.
Для реализации цели сформулированы следующие основные задачи:
1. исследовать влияние высокого давления на электрические и термоэлектрические характеристики жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок в диапазоне температур от 77 до 400 К;
2. изучить структуру фаз высокого давления, полученных путем воздействия давлений до 50 ГПа на жгуты одностенных и двустенных углеродных нанотрубок;
3. провести анализ результатов исследований влияния высокого давления на структуру и электрофизические свойства жгутов нанотрубок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. обнаружены особенности барических зависимостей электрического сопротивления и коэффициента Зеебека жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок при давлениях до 14 ГПа, обусловленные изменением поперечного сечения нанотрубок различного диаметра;
2. в результате совместного анализа барических зависимостей электросопротивления, коэффициента Зеебека, относительной теплопроводности и спектроскопии комбинационного рассеяния жгутов одностенных углеродных нанотрубок установлено, что после воздействия давлением 50 ГПа структура одностенных нанотрубок с диаметрами порядка 1,5 нм сохраняется;
3. установлен ряд особенностей барических зависимостей электрического
сопротивления, коэффициента Зеебека, и относительной теплопроводности жгутов двустенных углеродных нанотрубок,
связанных с изменением поперечного сечения, коллапсом, и
разрушением углеродных нанотрубок различного диаметра;
4. экспериментально подтвержден двухступенчатый механизм разрушения двустенных углеродных нанотрубок со средним диаметром порядка 1,5 нм;
5. установлена связь особенностей барических зависимостей электрофизических характеристик со структурными преобразованиями, происходящими в жгутах одностенных и двустенных углеродных нанотрубок под действием высокого давления;
6. показано, что наблюдаемые в барических зависимостях относительной теплопроводности фазовые переходы второго рода, обусловлены преобразованиями структуры углеродных нанотрубок.
Теоретическая значимость
В проведенном исследовании экспериментально подтвержден ряд теоретических предположений о преобразованиях структуры углеродных нанотрубок, под действием высокого давления [4-6]. В частности, установлена зависимость транспортных характеристик жгутов углеродных нанотрубок от их структурного состояния, которое изменяется под действием высокого давления. Подтверждено предположение о двухступенчатом механизме разрушения двустенных углеродных нанотрубок при сжатии [4]...
В результате проведенного исследования особенностей формирования новых фаз углеродных нанотрубок, получаемых путем воздействия высокого давления на жгуты одностенных и двустенных углеродных нанотрубок, и анализа всех полученных результатов сделаны следующие выводы:
1. Особенности барических зависимостей электрического сопротивления и коэффициента Зеебека жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок, обусловлены изменением проводимости при сжатии нанотрубок в жгутах.
2. Структура одностенных нанотрубок с диаметрами менее 1,5 нм сохраняется при давлениях порядка 50 ГПа. Наблюдаемые особенности барических зависимостей электрофизических свойств и спектров комбинационного рассеяния при давлениях, превышающих 22 ГПа, обусловлены разрушением структуры нанотрубок обладающих большим числом дефектов, или диаметрами более 1,5 нм.
3. В случае двустенных углеродных нанотрубок, давление порядка 50 ГПа оказалось критическим. Разрушение структуры двустенных углеродных нанотрубок со средним диаметром порядка 1,5 нм, происходит в два этапа при разных критических давлениях: сначала разрушаются внешние нанотрубки, затем внутренние. Разрушение внешних нанотрубок происходит при давлениях порядка 25 ГПа. Внутренние нанотрубки наименьших диаметров разрушаются при давлениях более 48 ГПа.
4. Фазовые переходы второго рода, наблюдаемые в зависимостях относительной теплопроводности жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок при давлениях 22 - 36 ГПа, обусловлены частично обратимыми преобразованиями структуры жгутов одностенных и двустенных углеродных нанотрубок: процессами коллапса и разрушения нанотрубок различного диаметра.
