Электромагнитные свойства углеродных нанотрубок и сред на их основе Шуба Михаил Владимирович

Электромагнитные свойства
углеродных нанотрубок и сред на
их основе
Шуба Михаил Владимирович
НИУ Институт ядерных проблем,
Белорусский государственный
университет
Углеродная нанотрубка (УНТ) –
объект интенсивных исследований с 1993 года
Углеродная
нанотрубка
• эмитер
Тонкие пленки из
углеродных нанотрубок
• интерконнектор
• Гибкие прозрачные
проводящие покрытия
• нановолновод
• Поляризаторы для ТГц
• нанорезонатор
• Фильтры ИК
• элемент
полевого
транзистора
• Электроды для
суперконденсаторов,
солнечных элементов
Композитные материалы на основе УНТ имеют низкий порог
перколяции при значительной экранировке СВЧ излучения.
Теоретическое описание электродинамических параметров
углеродных нанотрубок и сред на их основе в широком диапазоне
частот является актуальной и востребованной задачей для большого
количества приложений.
Электромагнитные свойства
углеродных нанотрубок (УНТ) конечной длины
Развита теория рассеяния и исследованы электромагнитные свойства:
1) Одностенной УНТ
[Phys. Rev. B (2006)]
2) Пучка одностенных УНТ
[Phys. Rev. B (2007)]
3) Многостенной УНТ
[Phys. Rev. B (2009)]
4) Одностенной УНТ, покрытой тонким диэлектрическим слоем
[J. Appl. Phys. (2010)]
5) Легированной УНТ
(1)
(2)
[Phys. Rev. B (2010)]
(3)
(4)
(5)
Новые свойства нанотрубок
Впервые рассчитаны и теоретически обоснованы свойства нанотрубок как
1) наноантенн терагерцового диапазона частот [Phys. Rev. B (2006), (2007)]
2) нановолноводов инфракрасного диапазона частот [Phys. Rev. B (2007), (2009)]
3) наночастиц для селективного радио и микроволнового термолиза раковых
клеток [J. Appl. Phys. (2010)]
(1)
(2)
(3)
Электромагнитные свойства сред
на основе углеродных нанотрубок (УНТ)
На основе микроскопического подхода описаны эффективные
электромагнитные параметры сред на основе УНТ:
1) Тонких пленок
[Phys. Rev. B, (2010)]
2) Суспензий
[Nanosci. Nanotechnol. Lett. (2011)]
3) Композитных материалов
[Diamond & Related Materials, (2012)]
(1)
(2)
(3)
Свойства описаны от радиочастотного до видимого диапазона
Влияние длины нанотрубок на эффективную
проводимость композитной среды
Проводимость
Межзонные
переходы
Антенные
резонансы
LCNT  0.5surface wave
Длина волны, мкм
Микроволновый и
радиочастотный диапазоны
Дано объяснение:
(1) инфракрасных (ИК) спектров поглощения пленок УНТ
(2) ИК спектров пленок УНТ после легирования
(3) поглощения радиоволнового излучения суспензиями УНТ
(1) F. Borondics, et. al. Phys. Rev. B
(2) M.E. Itkis, Nano Lett. 2, 155,
74, 045431 (2006)
(3) C. J. Gannon, CANCER 110, 2654 (2007).
(2002)
After purification in acid
(doped tubes)
After heating
(pristine tubes)
Теоретическая работа
2005-2010
Экспериментальнотеоретическая работа
2011-2013
Метод ломки углеродных нанотрубок
Число трубок
Предложен
эффективный
метод ультразвуковой ломки
углеродных
нанотрубок
в
смеси кислот при низкой
температуре (0 С0).
Короткие трубки имеют длину
50-250 нм и низкую степень
повреждения стенок.
Длина, мкм
M. V. Shuba, et al. // Nanotechnology,
2012, Vol. 23, 495714.
Оптическая плотность
Экспериментальное доказательство антенного резонанса в
пленке одностенных углеродных нанотрубок
Эксперимент
Терагерцовый пик
проводимости зависит
от длины нанотрубок
Предсказано в 2006:
G.Ya. Slepyan, M.V. Shuba et al.
Phys. Rev. B, Vol. 73, 195416
Оптическая
плотность
Теория
Волновое число,
см-1
Экспериментально
зарегистрировано в 2012
M.V. Shuba, et al. // Phys. Rev.
B, Vol. 85, 165435.
Нанотрубка как
частица для
терагерцовой
наноплазмоники !!!
Волновое число, см-1
Работы, выдвигаемые на соискание Премии.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Теоретические работы (10):
G. Ya. Slepyan, M. V. Shuba, S. A. Maksimenko, and A. Lakhtakia, Theory of optical scattering by achiral
carbon nanotubes and their potential as optical nanoantennas // Phys. Rev. B, 2006, Vol. 73, 195416.
G.Ya. Slepyan, M. V. Shuba, S. A. Maksimenko, C. Thomsen, and A. Lakhtakia, Terahertz conductivity peak
in composite materials containing carbon nanotubes: Theory and interpretation of experiment // Phys. Rev. B,
2010, Vol. 81, 205423.
D. Seliuta, I. Kašalynas, J. Macutkevic, G. Valušis, M.V. Shuba, P.P. Kuzhir, G.Y. Slepyan, S.A.
Maksimenko, V. Ksenevich, V. Samuilov, and Q. Lu, Terahertz sensing with carbon nanotube layers coated on
silica fibers: Carrier transport versus nanoantenna effects // Appl. Phys. Lett., 2010, Vol. 97, 073116.
M.V. Shuba, D. Seliuta, P.P. Kuzhir, S.A. Maksimenko, V.K. Ksenevich, I. Kašalynas, J. Macutkevič, G.
Valušis. Antenna resonances in terahertz photoconductivity of single wall carbon nanotube fibers // Diamond &
Related Materials, 2012, Vol. 27–28, pp 36-39.
M. V. Shuba, S. A. Maksimenko and G. Ya. Slepyan, Absorption Cross-Section and Near-Field Enhancement
in Finite-Length Carbon Nanotubes in the Terahertz-to-Optical Range // J. Comput. Theor. Nanoscience,
2009, Vol. 6(9), 2016-2023.
M. Nemilentsau, M. V. Shuba, G. Ya. Slepyan, P. P. Kuzhir, S. A. Maksimenko, P. N. D’yachkov, A.
Lakhtakia, Substitutional doping of carbon nanotubes to control their electromagnetic characteristics // Phys.
Rev. B, 2010, Vol. 82, 235424.
M.V. Shuba, S.A. Maksimenko and A. Lakhtakia, Electromagnetic wave propagation in an almost circular
bundle of closely packed, metallic, carbon nanotubes // Phys. Rev. B, 2007, Vol. 76, 155407.
M.V. Shuba, G.Ya. Slepyan, S.A. Maksimenko, C. Thomsen, A. Lakhtakia, Theory of multiwall carbon
nanotubes as waveguides and antennas in the infrared and the visible regimes // Phys. Rev. B, 2009, Vol. 79,
155403.
M.V. Shuba, G. Y. Slepyan, S. A. Maksimenko, and G.W. Hanson, Radiofrequency field absorption by carbon
nanotubes embedded in a conductive host, J. Appl. Phys., 2010, Vol. 108, 114302.
M. V. Shuba, G. Ya. Slepyan, S. A. Maksimenko, and G. W. Hanson, RF and microwave electrical response of
carbon nanotube saline solutions for potential biomedical applications, Nanosci. Nanotechnol. Lett., 2011,
Vol. 3, pp. 885-888.
Работы, выдвигаемые на соискание Премии
Экспериментальные работы (3)
• M. V. Shuba, A. G. Paddubskaya, P. P. Kuzhir, S. A. Maksimenko, V. Ksenevich,
G. Niaura, D. Seliuta, I. Kašalynas, G. Valusis, Soft cutting of single-wall carbon
nanotubes by low temperature ultrasonication in a mixture of sulfuric and nitric
acids // Nanotechnology, 2012, Vol. 23, 495714.
• M. V. Shuba, A. G. Paddubskaya, P. P. Kuzhir, G. Ya. Slepyan, D. Seliuta, I.
Kašalynas, G. Valusis, A. Lakhtakia, Effects of inclusion dimensions and p-type
doping in the terahertz spectra of composite materials containing bundles of
single-wall carbon nanotubes // Journal of Nanophotonics, 2012, Vol. 6,
061707.
• M. V. Shuba, A.G. Paddubskaya, P.P. Kuzhir, G.Ya. Slepyan, S. A. Maksimenko,
V. K. Ksenevich, P. Buka, D. Seliuta, I. Kasalynas, J. Macutkevic, G. Valusis, C.
Thomsen, A. Lakhtakia, Experimental evidence of localized plasmon resonance in
composite materials containing single-wall carbon nanotubes // Phys. Rev. B,
2012, Vol. 85, 165435.
Цитирование: 320 ссылок, индекс Хирша 9 (Scopus)
Благодарность за значительную помощь,
обсуждение, руководство и поддержку
Сергей Максименко
Григорий Слепян
Олеся Поддубская
Полина Кужир
Аклеш Лакхтакиа
(США)
Спасибо за внимание