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

Е. Ерланұлы

doi:10.26577/RCPh96120268

Авторлар

Е. Ерланұлы Қолданбалы ғылымдар және ақпараттық технологиялар институты, Алматы, Қазақстан; Қазақстан-Британ техникалық университеті, Алматы, Қазақстан https://orcid.org/0000-0001-6757-1041

DOI:

https://doi.org/10.26577/RCPh96120268

32 13

Кілттік сөздер:

көміртекті наноқабырғалар, иондық сәулелену, радиациялық төзімділік, қысқа импульсті иондық сәулелену, бет морфологиясы, рамандық спектроскопия, электрлік қасиеттер

Аннотация

Көміртекті наноқабырғалар (CNWs) бірегей үшөлшемді графенге ұқсас архитектурасы мен жоғары физика-химиялық қасиеттерінің арқасында радиацияға төзімді электрондық және оптоэлектрондық құрылғыларда қолдануға перспективалы көміртекті наноматериалдар класына жатады. Бұл жұмыста қысқа импульсті жоғары токты иондық сәулеленудің көміртекті наноқабырғалардың тұрақтылығына әсері жүйелі түрде зерттелді. CNWs кварцты төсеніштерде индуктивті байланысқан плазма қолданылатын химиялық бу фазасында тұндыру әдісімен синтезделіп, кейін INURA үдеткішінде 4, 7 және 10 A/cm²ток тығыздықтарында иондық сәулеленуге ұшыратылды. Сәулеленудің морфологиялық, құрылымдық, оптикалық және электрлік қасиеттерге әсері атомдық-күштік микроскопия, рамандық спектроскопия, ультракүлгін-көрінетін аймақ спектрофотометриясы және төртзондты әдіс арқылы беттік кедергіні өлшеу көмегімен зерттелді. АСМ талдауы сәулеленуден кейін бет бедерінің тек шамалы қайта құрылуын және кедір-бұдырлық параметрлерінің аз ғана өзгеруін көрсетіп, ең жоғары сәулелену тығыздығында да наноқабырғалардың тік бағытталған морфологиясының сақталғанын дәлелдеді. Рамандық спектрлер көміртектің графенге ұқсас sp²-құрылымының сақталғанын және I_D/I_G қатынасының мардымсыз өзгерісін көрсетті, бұл дефектілердің шектеулі түзілуін білдіреді. Оптикалық өлшеулер бет құрылымының қайта ұйымдасуымен байланысты мөлдірліктің орташа өзгерістерін көрсетті, алайда спектралдық сипаттамалардың деградациясы байқалмады. Электрлік өлшеулер сәулеленуден кейін беттік кедергінің тұрақты немесе аздап төмендегенін көрсетті, бұл наноқабырғалар арасындағы электрлік байланыстардың жақсаруымен түсіндірілуі мүмкін. Алынған нәтижелер көміртекті наноқабырғалардың қысқа импульсті иондық сәулеленуге жоғары төзімділігін көрсетіп, оларды радиацияға төзімді электрондық, оптоэлектрондық және сенсорлық құрылғылар үшін функционалдық материалдар ретінде қолданудың жоғары әлеуетін растайды.

Автордың биографиясы

Е. Ерланұлы, Қолданбалы ғылымдар және ақпараттық технологиялар институты, Алматы, Қазақстан; Қазақстан-Британ техникалық университеті, Алматы, Қазақстан

PhD, аға ғылыми қызметкер, Қолданбалы ғылымдар және ақпараттық технологиялар институты, Қазақ-Британ техникалық университеті, Алматы, Қазақстан, email: yerlanuly@physics.kz

Библиографиялық сілтемелер

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.