Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Слепченков М. М., Мурашко Д. Т., Куксин А. В., Рязанов Р. М., Лебедев Е. А., Шаман Ю. П., Кицюк Е. П., Герасименко А. Ю., Глухова О. Е. Электропроводные свойства интерфейсов графен–нанотрубный гибрид/оксид алюминия // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 3. С. 356-368. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-3-356-368, EDN: TXLUUP

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.08.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 124)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.9
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-3-356-368
EDN: 
TXLUUP

Электропроводные свойства интерфейсов графен–нанотрубный гибрид/оксид алюминия

Авторы: 
Слепченков Михаил Михайлович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Мурашко Денис Тарасович, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Куксин Артем Викторович, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Рязанов Роман Михайлович, Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Лебедев Егор Александрович, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Шаман Юрий Петрович, Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Кицюк Евгений Павлович, Научно-производственный комплекс «Технологический центр»
Герасименко Александр Юрьевич, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Глухова Ольга Евгеньевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Углеродные наноструктуры/оксиды металлов в качестве интерфейсов становятся одними из ключевых компонентов наноэлектронных устройств, в том числе туннельных полевых транзисторов. Среди углеродных наноматериалов особое внимание уделяется графену, повышение структурной стабильности и управление электропроводностью которого представляет актуальную научную задачу. Одним из решений указанной проблемы, имеющим экспериментальную апробацию, является сочетание графена с углеродными нанотрубками в составе гибридной наноструктуры. В данной работе впервые экспериментально получены образцы интерфейса 2D/0D в виде гибридной пленки из восстановленного оксида графена (ВОГ) и одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с осажденными наночастицами оксида алюминия Al2O3. Синтезированы образцы с толщиной слоя наночастиц Al2O3 5 нм и 20 нм. Благодаря импульсному лазерному воздействию с плотностью энергии 0.24 Дж/см2 (мощность лазерной обработки 70 мВт) был достигнут эффект связывания наночастиц Al2O3 c поверхностью наноструктур ВОГ/ОУНТ, а также эффект формирования наноструктур ОУНТ, ориентированных под углом к кремниевой подложке. Для синтезированных образцов проведены измерения электропроводности при температурах –50, –10, +20, +60, +140, +200°C. Выявлено, что с ростом температуры электропроводность образца с толщиной слоя наночастиц Al2O3 5 нм увеличивается в 2.5 раза, а образца с толщиной 20 нм – в 4.2 раза. При этом, для образца с толщиной слоя наночастиц Al2O3 20 нм при всех температурах характерны более высокие значения электропроводности. На основе полученных результатов можно рекомендовать синтезированные образцы интерфейса ВОГ/ОУНТ/Al2O3 к применению в устройствах наноэлектроники.

Ключевые слова: 
графен-нанотрубные гибридные пленки
оксид алюминия
электропроводность
лазерное воздействие
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 24-79-10316, https://rscf.ru/project/24-79-10316/).
Список источников: 
  1. Chaudhry M. A., Hussain R., Butt F. K., eds. Metal Oxide-Carbon Hybrid Materials: Synthesis, Properties and Applications. Elsevier Metal Oxides Series. Amsterdam, Elsevier, 2022. 588 p.
  2. Daneshvar F., Chen H., Noh K., Sue H. J. Critical challenges and advances in the carbon nanotube–metal interface for next-generation electronic. Nanoscale Adv., 2021, vol. 3, iss. 4, pp. 942–962. https://doi.org/10.1039/D0NA00822B
  3. Mishra H., Panda J., Ramu M., Sarkar T., Dayen J. F., Belotcerkovtceva D., Kamalakar M. V. Experimental advances in charge and spin transport in chemical vapor deposited graphene. J. Phys. Mater., 2021, vol. 4, art. 042007. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ac1247
  4. Maciel R. P., Eriksson O., Kvashnin Y. O., Thonig D., Belotcerkovtceva D., Kamalakar M. V., Ong C. S. Resistive switching in graphene: A theoretical case study on the alumina-graphene interface. Phys. Rev. Research, 2023, vol. 5, art. 043147. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.043147
  5. Martinez-Martinez R., Islam M. M., Krishnaprasad A., Roy T. Graphene-oxide interface for optoelectronic synapse application. Sci. Rep., 2022, vol. 12, iss. 1, art. 5880. https://doi.org/10.1038/s41598-022-09873-8
  6. Belotcerkovtceva D., Maciel R. P., Berggren E., Maddu R., Sarkar T., Kvashnin Y. O., Thonig D., Lindblad A., Eriksson O., Kamalakar M. V. Insights and implications of intricate surface charge transfer and sp3-defects in graphene/metal oxide interfaces. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, vol. 14, pp. 36209−36216. https://doi.org/10.1021/acsami.2c06626
  7. Alnuaimi A., Almansouri I., Saadat I., Nayfeh A. Interface engineering of graphene–silicon Schottky junction solar cells with an Al2O3 interfacial layer grown by atomic layer deposition. RSC Adv., 2018, vol. 8, pp. 10593−10597. https://doi.org/10.1039/c7ra13443f
  8. Gusmão M. S., Ghosh A., Frota H. O. Electronic transport properties of graphene/Al2O3 (0001) interface. Curr. Appl. Phys., 2018, vol. 18, iss. 1, pp. 90−95. https://doi.org/10.1016/j.cap.2017.10.008
  9. Fisichella G., Schilirò E., Di Franco S., Fiorenza P., Lo Nigro R., Roccaforte F., Ravesi S., Giannazzo F. Interface electrical properties of Al2O3 thin films on graphene obtained by atomic layer deposition with an in situ seedlike layer. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, vol. 9, iss. 8, pp. 7761−7771. https://doi.org/10.1021/acsami.6b15190
  10. Vu V. B., Bubendorff J. L., Mouafo L. D. N., Latil S., Zaarour A., Dayen J-F., Simon L., Dappe Y. J. Graphene/aluminum oxide interfaces for nanoelectronic devices. Electron. Struct., 2023, vol. 5, no. 4, art. 045005. https://doi.org/10.1088/2516-1075/acff9e
  11. Hu Y. Z., Li J., Luo L. L., Hu S. L., Shen H. H., Long X. G. Regulating interface interaction in alumina/graphene composites with nano alumina coating transition layers. RSC Adv., 2024, vol. 14, iss. 28, pp. 20020−20031. https://doi.org/10.1039/D4RA00356J
  12. Qin S. C., Liu Y. D., Jiang H. Z., Xu Y., Shi Y., Zhang R., Wang F. All-carbon hybrids for high-performance electronics, optoelectronics and energy storage. Sci. China. Inf. Sci., 2019, vol. 62, iss. 12, art. 220403. https://doi.org/10.1007/s11432-019-2676-x
  13. Li Y., Ai Q., Mao L., Guo J., Gong T., Lin Y., Wu G., Huang W., Zhang X. Hybrid strategy of graphene/carbon nanotube hierarchical networks for highly sensitive, flexible wearable strain sensors. Sci. Rep., 2021, vol. 11, iss. 1, art. 21006. https://doi.org/10.1038/s41598-021-00307-5
  14. Sheng J., Han Z., Jia G., Zhu S., Xu Y., Zhang X., Yao Y., Li Y. Covalently bonded graphene sheets on carbon nanotubes: Direct growth and outstanding properties. Adv. Funct. Mater., 2023, vol. 33, art. 230678. https://doi.org/10.1002/adfm.202306785
  15. Liu B., Sun J., Zhao J., Yun X. Hybrid graphene and carbon nanotube–reinforced composites: Polymer, metal, and ceramic matrices. Adv. Compos. Hybrid Mater., 2025, vol. 8, art. 1. https://doi.org/10.1007/s42114-024-01074-3
  16. Lan M., Jia X., Tian R., Feng L., Shao D., Song H. Advancing multifunctional thermal management with multistate graphene/CNTs conjugated hybrids. Carbon, 2024, vol. 219, art. 118850. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118850
  17. Hong Z., Zheng Z., Kong L., Zhao L., Liu S., Li W., Shi J. Welded carbon nanotube–graphene hybrids with tunable strain sensing behavior for wide-range bio-signal monitoring. Polymers, 2024, vol. 16, iss. 2, art. 238. https://doi.org/10.3390/polym16020238
  18. Li Z., Li Z. H., Zhang Y., Xu X., Cheng Y., Zhang Y., Zhao J., Wei N. Highly sensitive weaving sensor of hybrid graphene nanoribbons and carbon nanotubes for tnhanced pressure sensing function. ACS Sens., 2024, vol. 9, iss. 5, pp. 2499–2508. https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00170
  19. Lee C., Wei X., Kysar J. W., Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, 2008, vol. 321, iss. 5887, pp. 385–388. https://doi.org/10.1126/science.1157996
  20. Lv R., Cruz-Silva E., Terrones M. Building Complex Hybrid Carbon Architectures by Covalent Interconnections: Graphene-Nanotube Hybrids and More. ACS Nano, 2014, vol. 8, iss. 5, pp. 4061–4069. https://doi.org/10.1021/nn502426c
  21. Tristán-López F., Morelos-Gómez A., Vega-Díaz S. M., García-Betancourt M. L., Perea-López N., Elías A. L., Muramatsu H., Cruz-Silva R., Tsuruoka, S., Kim Y. A., Hayahsi T., Kaneko K., Endo M., Terrones M. Large area films of alternating graphene-carbon nanotube layers processed in water. ACS Nano, 2013, vol. 7, iss. 12, pp. 10788–10798. https://doi.org/10.1021/nn404022m
  22. Du W., Ahmed Z., Wang Q., Yu C., Feng Z., Li G., Zhang M., Zhou C., Senegor R., Yang C. Y. Structures, properties, and applications of CNT-graphene heterostructures. 2D Mater., 2019, vol. 6, iss. 4, art. 042005. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab41d3
  23. Jiang Y., Song S., Mi M., Yu L., Xu L., Jiang P., Wang Y. Improved Electrical and Thermal Conductivities of Graphene–Carbon Nanotube Composite Film as an Advanced Thermal Interface Material. Energies, 2023, vol. 16, iss. 3, pp. 1378. https://doi.org/10.3390/en16031378
  24. Al-Saleh M. H. Electrical and mechanical properties of graphene/carbon nanotube hybrid nanocomposites. Synthetic Metals, 2015, vol. 209, pp. 41–46. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2015.06.023
  25. Kholmanov I. N., Magnuson C. W., Piner R., Kim J. Y., Aliev A. E., Tan C., Kim T. Y., Zakhidov A. A., Sberveglieri G., Baughman R. H., Ruoff R. S. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films. Adv. Mater., 2015, vol. 27, iss. 19, pp. 3053–3059. https://doi.org/10.1002/adma.201500785
  26. Slepchenkov M. M., Barkov P. V., Glukhova O. E. Features of the atomic structure and electronic properties of hybrid films formed by single-walled carbon nanotubes and bilayer graphene. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2021, vol. 21, iss. 4, pp. 302–314 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2021-21-4-302-314
  27. Gerasimenko A. Y., Kuksin A. V., Shaman Y. P., Kitsyuk E. P., Fedorova Y. O., Sysa A. V., Pavlov A. A., Glukhova O. E. Electrically conductive networks from hybrids of carbon nanotubes and graphene created by laser radiation. Nanomaterials, 2021, vol. 11, iss. 8, art. 1875. https://doi.org/10.3390/nano11081875
  28. Etesami M., Nguyen M. T., Yonezawa T., Tuantranont A., Somwangthanaroj A., Kheawhom S. 3D carbon nanotubes-graphene hybrids for energy conversion and storage applications. Chem. Eng. J., 2022, vol. 446, pt. 3, art. 137190. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137190
  29. Pyo S., Eun Y., Sim J., Kim K., Choi J. Carbon nanotube-graphene hybrids for soft electronics, sensors, and actuators. Micro Nano Syst. Lett., 2022, vol. 10, art. 9. https://doi.org/10.1186/s40486-022-00151-w
  30. Zhang Y., Li Y., Sun J., You Q., Li K., Zhu M., Deng T. A micro broadband photodetector based on single wall carbon nanotubes–graphene heterojunction. J. Light. Technol., 2022, vol. 40, iss. 1, pp. 149–155. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3120184
  31. Zhang Y., Li Y., You Q., Sun J., Li K., Hong H., Kong L., Zhu M., Deng T., Liu Z. A broadband 3D microtubular photodetector based on a single wall carbon nanotube-graphene heterojunction. Nanoscale, 2023, vol. 15, iss. 3, pp. 1402–1411. https://doi.org/10.1039/D2NR05819G
  32. Gerasimenko A. Y., Kuksin A. V., Shaman Y. P., Kitsyuk E. P., Fedorova Y. O., Murashko D. T., Shamanaev A. A., Eganova E. M., Sysa A. V., Savelyev M. S., Telyshev D. V., Pavlov A. A., Glukhova O. E. Hybrid carbon nanotubes–graphene nanostructures: Modeling, formation, characterization. Nanomaterials, 2022, vol. 12, iss. 16, art. 2812. https://doi.org/10.3390/nano12162812
  33. Wang G., Liu L., Zhang Z. Interface mechanics in carbon nanomaterials-based nanocomposites. Composites A: Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 141, iss. 6414, art. 106212. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106212
  34. Wang Y., Zhou W., Cao K., Hu X., Gao L., Lu Y. Architectured graphene and its composites: Manufacturing and structural applications. Compositesa A: Appl. Sci. Manuf., 2021, vol. 140, art. 106177. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106177
  35. Xie Y., Kocaefe D., Kocaefe Y., Cheng J., Liu W. The effect of novel synthetic methods and parameters control on morphology of nano-alumina particles. Nanoscale Res. Lett., 2016, vol. 11, iss. 1, art. 259. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1472-z
  36. Nakamiya T., Ueda T., Ikegami T., Mitsugi F., Ebihara K., Sonoda Y., Iwasaki Y., Tsuda R. Effect of a pulsed Nd: YAG laser irradiation on multi-walled carbon nanotubes film. Thin Solid Films, 2009, vol. 517, iss. 14, pp. 3854–3858. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.01.097
  37. Zhang X., Yang L., Liu H. High-temperature conduction behavior of carbon nanotube fiber from 25°C to 1100°C. Appl. Phys. Lett., 2018, vol. 112, iss. 16, art. 164103. https://doi.org/10.1063/1.5026889
Поступила в редакцию: 
11.04.2025
Принята к публикации: 
15.05.2025
Опубликована: 
29.08.2025
  • 369 просмотров