Thin film conductivity measurements of carbon nanotube hemicellulose complex

Abstract

Työssä mitattiin hiilinanoputkista ja hemiselluloosasta koostuvan läpinäkyvän ohutkalvon sähkönjohtavuutta. Materiaali on Nemcel Oy:n kehittämä. Valmistimme useita näytteitä erilaisia mittauksia varten ja testataksemme eri valmistusmenetelmiä.

Valmistetun ohutkalvon merkittävimmät ominaisuudet ovat läpinäkyvyys ja hyvä sähkönjohtavuus. Valmistetut kalvot olivat pääasiassa läpinäkyviä, mikä edellytti kalvon ohuutta. Itse materiaali toimitettiin vesiliuoksena, jossa oli 1:1 hiilinanoputkia ja hemiselluloosaa. Kalvot valmistettiin joko spinnaamalla tai kuivattamalla yksittäisiä pisaroita pinnalle. Näytteet valmistettiin pintaoksidioidulle piille, johon oli tehty kultaelektrodit.

Kalvoa kuvattiin optisella-, atomivoima- ja elektronitransmissio mikroskoopeilla. Optinen kuvantaminen osoitti kalvon epätasaisuuden. Atomivoimamikroskoopilla saatiin kuva kalvon kuitumaisesta hienorakenteesta, sekä pystyttiin määrittämään kalvon paksuus. Rakenteessa havaittiin hiilinanoputkista muodostuvia renkaita, joita päätettiin kuvata tarkemmin elektronitransmissiomikroskoopilla. Näissä kuvissa nähtiin renkaiden käämiä muistuttava rakenne.

Sähkönjohtavuusmittauksia tehtiin useita ja niissä käytettiin nelipistemittausta. Ensimmäisenä mitattiin luonnollisesti johtavuus huoneilmassa, mistä siirryttiin matalan lämpötilan mittauksiin. Näytteet jäähdytettiin noin 4,2~K:iin, minkä aikana niiden johtavuuden havaittiin heikkenevän ensin hyvin hitaasti ja lopuksi, kymmenien kelvinien lämpötilassa, nopeammin. Matalassa lämpötilassa virran ja jännitteen suhteen havaittiin muuttuvan epälineaariseksi. Transistoriominaisuuksia testattiin myös 4,2 K:ssa, mutta niitä ei havaittu. Jäähdytyksen aikana kerätyn datan havaittiin noudattavan pääasiassa VRH-mallia (variable range hopping), joka on eräs tapa kuvata sähkönjohtavuuden lämpötilariippuvuutta epäsäännöllisen hilan materiaaleissa.

Kalvon sähkönjohtokykyä testattiin myös muissa olosuhteissa. Ilman kosteuden huomattiin heikentävän kalvon johtavuutta selkeästi noin 50 % :n suhteellisen kosteuden yläpuolella ja johtavuus palautui ennalleen erittäin hitaasti. Johtavuutta yritettiin mitata myös kalvoa lämmitettäessä huoneilmaa korkeampiin lämpötiloihin, mutta karkeasti toteutetulla laitteistolla ei onnistuttu saamaan luotettavia tuloksia lämmityksen vaikutuksesta.