Investigation of the effect of short-pulsed ion irradiation on the stability of carbon nanowalls

Е. Ерланулы

doi:10.26577/RCPh96120268

Авторы

Е. Ерланулы Институт прикладных наук и информационных технологий, Алматы, Казахстан; Казахстанско-Британский технический университет, Алматы, Казахстан https://orcid.org/0000-0001-6757-1041

DOI:

https://doi.org/10.26577/RCPh96120268

32 13

Ключевые слова:

углеродные наностены, ионное облучение, радиационная стойкость, короткоимпульсный ионный пучок, морфология поверхности, рамановская спектроскопия, электрические свойства

Аннотация

Углеродные наностены (CNWs) представляют собой перспективный класс углеродных наноматериалов для применения в радиационно-стойких электронных и оптоэлектронных устройствах благодаря своей уникальной трёхмерной графеноподобной архитектуре и выдающимся физико-химическим свойствам. В данной работе проведено систематическое исследование влияния короткоимпульсного сильноточного ионного облучения на стабильность углеродных наностен. CNWs были синтезированы на кварцевых подложках методом химического осаждения из паровой фазы с использованием индуктивно связанной плазмы, после чего подвергнуты ионному облучению на ускорителе INURA при плотностях тока 4, 7 и 10 A/cm². Радиационно-индуцированные изменения морфологии, структуры, оптических и электрических свойств были исследованы методами атомно-силовой микроскопии, рамановской спектроскопии, УФ-видимой спектрофотометрии и измерений поверхностного сопротивления по четырёхзондовой схеме. Анализ АСМ показал лишь умеренную перестройку поверхности и незначительные изменения параметров шероховатости при сохранении характерной вертикально ориентированной морфологии наностен даже при максимальной плотности облучения. Рамановские спектры подтвердили сохранение графеноподобной sp²-структуры углерода с минимальными изменениями отношения I_D/I_G, что свидетельствует об ограниченном образовании дефектов. Оптические измерения выявили умеренные изменения прозрачности, коррелирующие с перестройкой поверхности, без деградации спектральных характеристик. Электрические измерения показали стабильность или умеренное снижение поверхностного сопротивления после облучения, что может быть связано с улучшением межстеночных электрических контактов. Полученные результаты демонстрируют высокую устойчивость углеродных наностен к короткоимпульсному ионному облучению и подтверждают их перспективность в качестве функциональных материалов для радиационно-стойких электронных, оптоэлектронных и сенсорных устройств.

Биография автора

Е. Ерланулы, Институт прикладных наук и информационных технологий, Алматы, Казахстан; Казахстанско-Британский технический университет, Алматы, Казахстан

PhD, старший научный сотрудник Института прикладных наук и информационных технологий Казахско-британского технического университета, Алматы, Казахстан, email: yerlanuly@physics.kz

Библиографические ссылки

Y. Zhang, W.J. Weber, Ion irradiation and modification: The role of coupled electronic and nuclear energy dissipation and subsequent nonequilibrium processes in materials, Applied Physics Reviews. 7 (2020) 041307. https://doi.org/10.1063/5.0027462.

P.S. Kanhaiya, A. Yu, R. Netzer, W. Kemp, D. Doyle, M.M. Shulaker, Carbon Nanotubes for Radiation-Tolerant Electronics, ACS Nano. 15 (2021) 17310–17318. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04194.

A.R. Kirmani, B.K. Durant, J. Grandidier, N.M. Haegel, M.D. Kelzenberg, Y.M. Lao, M.D. McGehee, L. McMillon-Brown, D.P. Ostrowski, T.J. Peshek, B. Rout, I.R. Sellers, M. Steger, D. Walker, D.M. Wilt, K.T. VanSant, J.M. Luther, Countdown to perovskite space launch: Guidelines to performing relevant radiation-hardness experiments, Joule. 6 (2022) 1015–1031. https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.03.004.

P. Lubin, A.N. Cohen, J. Erlikhman, Radiation Effects from the Interstellar Medium and Cosmic Ray Particle Impacts on Relativistic Spacecraft, The Astrophysical Journal. 932 (2022) 134. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac6a50.

C.R. Brown, V.R. Whiteside, D. Poplavskyy, K. Hossain, M.S. Dhoubhadel, I.R. Sellers, Flexible Cu(In,Ga)Se$_{2}$ Solar Cells for Outer Planetary Missions: Investigation Under Low-Intensity Low-Temperature Conditions, IEEE Journal of Photovoltaics. 9 (2019) 552–558. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2889179.

V. V. Brus, M.M. Solovan, N. Schopp, M. Kaikanov, A.I. Mostovyi, Visible to Near‐Infrared Photodiodes with Advanced Radiation Resistance, Advanced Theory and Simulations. 5 (2022) 2100436. https://doi.org/10.1002/adts.202100436.

N.M. Yitzhak, O. Girshevitz, A. Haran, A. Butenko, M. Kaveh, I. Shlimak, Evidence of structural changes in ion-irradiated graphene independent of the incident ions mass, Applied Surface Science. 597 (2022) 153701. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153701.

Z. Peng, X. Liu, W. Zhang, Z. Zeng, Z. Liu, C. Zhang, Y. Liu, B. Shao, Q. Liang, W. Tang, X. Yuan, Advances in the application, toxicity and degradation of carbon nanomaterials in environment: A review, Environment International. 134 (2020) 105298. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105298.

Y. He, C. Hu, Z. Li, C. Wu, Y. Zeng, C. Peng, Multifunctional carbon nanomaterials for diagnostic applications in infectious diseases and tumors, Materials Today Bio. 14 (2022) 100231. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2022.100231.

J. Narayan, P. Joshi, J. Smith, W. Gao, W.J. Weber, R.J. Narayan, Q-carbon as a new radiation-resistant material, Carbon. 186 (2022) 253–261. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.10.006.

W. Wang, S. Wang, S. Zhang, W. Wang, X. Ji, C. Li, Effects of substrates on proton irradiation damage of graphene, RSC Advances. 10 (2020) 12060–12067. https://doi.org/10.1039/C9RA08905E.

A. Jagodar, J. Berndt, E. von Wahl, T. Strunskus, T. Lecas, E. Kovacevic, P. Brault, Nitrogen incorporation in graphene nanowalls via plasma processes: Experiments and simulations, Applied Surface Science. 591 (2022) 153165. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153165.

Y. Yerlanuly, R. Zhumadilov, R. Nemkayeva, B. Uzakbaiuly, A.R. Beisenbayev, Z. Bakenov, T. Ramazanov, M. Gabdullin, A. Ng, V. V. Brus, A.N. Jumabekov, Physical properties of carbon nanowalls synthesized by the ICP-PECVD method vs. the growth time, Scientific Reports. 11 (2021) 19287. https://doi.org/10.1038/s41598-021-97997-8.

Y. Yerlanuly, D. Christy, N. Van Nong, H. Kondo, B. Alpysbayeva, R. Nemkayeva, M. Kadyr, T. Ramazanov, M. Gabdullin, D. Batryshev, M. Hori, Synthesis of carbon nanowalls on the surface of nanoporous alumina membranes by RI-PECVD method, Applied Surface Science. 523 (2020) 146533. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146533.

R. Ye. Zhumadiov, R.R. Nemkayeva R.R., Ye. Yerlanuly, M.T. Gabdullin, IN SITU Raman analysis of electrochemical phenomena in carbon nanowalls, Recent Contributions to Physics. 88 (2024). https://doi.org/10.26577/RCPh.2024v88i1a08.

B.Y. Zhumadilov, R.Y. Zhumadilov, R.R. Nemkayeva, A.A. Markhabayeva, M.T. Gabdullin, Y. Yerlanuly, Role of synthesis time in shaping the morphology and structure of carbon nanowalls, Recent Contributions to Physics. 94 (2025). https://doi.org/10.26577/RCPh20259438.

D.J. Cott, M. Verheijen, O. Richard, I. Radu, S. De Gendt, S. van Elshocht, P.M. Vereecken, Synthesis of large area carbon nanosheets for energy storage applications, Carbon. 58 (2013) 59–65. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.02.030.

C.-T. Pan, J.A. Hinks, Q.M. Ramasse, G. Greaves, U. Bangert, S.E. Donnelly, S.J. Haigh, In-situ observation and atomic resolution imaging of the ion irradiation induced amorphisation of graphene, Scientific Reports. 4 (2014) 6334. https://doi.org/10.1038/srep06334.

A. Hudson, S. Hubbard, B.-C. Juang, B. Liang, M. Debnath, W. Lotshaw, Electron radiation effects on carrier relaxation in molecular beam and vapor deposition grown GaAs test structures, Journal of Applied Physics. 131 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0076752.

Z. Wang, D. Shen, C. Wu, S. Gu, State-of-the-art on the production and application of carbon nanomaterials from biomass, Green Chemistry. 20 (2018) 5031–5057. https://doi.org/10.1039/C8GC01748D.

Y. Yerlanuly, R.Y. Zhumadilov, I. V. Danko, D.M. Janseitov, R.R. Nemkayeva, A. V. Kireyev, A.B. Arystan, G. Akhtanova, J. Vollbrecht, N. Schopp, A. Nurmukhanbetova, T.S. Ramazanov, A.N. Jumabekov, P.A. Oreshkin, T.K. Zholdybayev, M.T. Gabdullin, V. V. Brus, Effect of Electron and Proton Irradiation on Structural and Electronic Properties of Carbon Nanowalls, ACS Omega. 7 (2022) 48467–48475. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06735.

Y. Yerlanuly, H.P. Parkhomenko, R.Y. Zhumadilov, R.R. Nemkayeva, G. Akhtanova, M.M. Solovan, A.I. Mostovyi, S.A. Orazbayev, A.U. Utegenov, T.S. Ramazanov, M.T. Gabdullin, A.N. Jumabekov, V. V. Brus, Achieving stable photodiode characteristics under ionizing radiation with a self-adaptive nanostructured heterojunction CNWs/CdZnTe, Carbon. 215 (2023) 118488. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118488.

M. Kaikanov, D. Nauruzbayev, A. Abduvalov, K. Baigarin, Investigation of intense pulsed ion beam generation by a magnetically insulated ion diode at a reduced impedance, Vacuum. 217 (2023) 112496. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112496.

K. Ishikawa, Effects of Plasma Ions/Radicals on Kinetic Interactions in Nanowall Deposition: A Review, Advanced Engineering Materials. 26 (2024). https://doi.org/10.1002/adem.202400679.