ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТЕН

Углеродные наностены (УНС) являются перспективными углеродными наноматериалами для гибкой и носимой электроники благодаря их уникальной вертикально ориентированной архитектуре и высокой электропроводности. В данной работе систематически исследовано влияние механической деформации на электрические свойства гибких пленок УНС. УНС были синтезированы методом индуктивно-связанного плазменно-химического осаждения из газовой фазы и перенесены на полимерные подложки для проведения электромеханических испытаний. Измерения методом эффекта Холла показали, что увеличение изгибной деформации и циклической механической нагрузки приводит к постепенному росту поверхностного сопротивления и снижению электропроводности и подвижности носителей заряда, при этом концентрация носителей остается практически неизменной. Сканирующая электронная микроскопия выявила образование микротрещин и частичное нарушение проводящих каналов после многократного изгиба, тогда как общая морфология наностенок в целом сохраняется. Рамановская спектроскопия подтвердила стабильность sp2-углеродного каркаса с увеличением дефектных мод после деформации. Полученные результаты демонстрируют механическую устойчивость УНС и их перспективность для применения в гибких электронных и сенсорных устройствах.

1. He, S., Ma, Y., Maulik, G., Jellicoe, M., Nag, A., Powell, W., Deng, S., Fang, J., and Wu, Y. A review on graphene-based sensors for tactile applications. Sensors and Actuators A: Physical, 372, 115363 (2024). https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115363.

2. Nurazzi, N.M., Sabaruddin, F.A., Harussani, M.M., Kamarudin, S.H., Rayung, M., Asyraf, M.R.M., Aisyah, H.A., Norrrahim, M.N.F., Ilyas, R.A., Abdullah, N., et al. Mechanical performance and applications of CNTs reinforced polymer composites—A review. Nanomaterials, 11, 2186 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11092186.

3. Juska, V.B., and Juska, G. Copper-nanostructure-modified laser-scribed electrodes based on graphitic carbon for electrochemical detection of dopamine and glucose. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 96, 1086–1095 (2021). https://doi.org/10.1002/jctb.6620.

4. Nag, A., Alahi, M.E.E., Feng, S., and Mukhopadhyay, S.C. IoT-based sensing system for phosphate detection using graphite/PDMS sensors. Sensors and Actuators A: Physical, 286, 43–50 (2019). https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.12.020.

5. Veerakumar, P., Sangili, A., Chen, S.-M., Vinothkumar, V., Balu, S., Hung, S.-T., and Lin, K.-C. Zinc and sulfur codoped iron oxide nanocubes anchored on carbon nanotubes for the detection of antitubercular drug isoniazid. ACS Applied Nano Materials, 4, 4562–4575 (2021). https://doi.org/10.1021/acsanm.1c00172.

6. Kawamoto, M., He, P., and Ito, Y. Green processing of carbon nanomaterials. Advanced Materials, 29 (2017). https://doi.org/10.1002/adma.201602423.

7. Choudhary, N., Hwang, S., and Choi, W. Carbon nanomaterials: A review. In: Handbook of Nanomaterials Properties. Springer, Berlin, Heidelberg, 709–769 (2014). https://doi.org/10.1007/978-3-642-31107-9_37.

8. Hiramatsu, M., Shiji, K., Amano, H., and Hori, M. Fabrication of vertically aligned carbon nanowalls using capacitively coupled plasma-enhanced chemical vapor deposition assisted by hydrogen radical injection. Applied Physics Letters, 84, 4708–4710 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1762702.

9. Hiramatsu, M., and Hori, M. Carbon Nanowalls. Springer, Vienna (2010). https://doi.org/10.1007/978-3-211-99718-5.

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

11. Wang, J.J., Zhu, M.Y., Outlaw, R.A., Zhao, X., Manos, D.M., Holloway, B.C., and Mammana, V.P. Free-standing subnanometer graphite sheets. Applied Physics Letters, 85, 1265–1267 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1782253.

12. Hosu, I.S., Sobaszek, M., Ficek, M., Bogdanowicz, R., Drobecq, H., Boussekey, L., Barras, A., Melnyk, O., Boukherroub, R., and Coffinier, Y. Carbon nanowalls: a new versatile graphene-based interface for the laser desorption/ionization-mass spectrometry detection of small compounds in real samples. Nanoscale, 9, 9701–9715 (2017). https://doi.org/10.1039/C7NR01069A.

13. Ghoniem, E., Mori, S., and Abdel-Moniem, A. An efficient strategy for transferring carbon nanowalls film to flexible substrate for supercapacitor application. Journal of Power Sources, 493, 229684 (2021). https:// doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229684.

14. Kwon, S., Choi, H., Lee, S., Lee, G., Kim, Y., Choi, W., and Kang, H. Room temperature gas sensor application of carbon nanowalls using electrical resistance change by surface adsorption of toxic gases. Materials Research Bulletin, 141, 111377 (2021). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111377.

15. Kwon, S., Kim, C., Kim, K., Jung, H., and Kang, H. Effect of Ag NPs-decorated carbon nanowalls with integrated Ni-Cr alloy microheater for sensing ammonia and nitrogen dioxide gas. Journal of Alloys and Compounds, 932, 167551 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167551.

16. Zhumadilov, B.Y., Zhumadilov, R.Y., Nemkayeva, R.R., Markhabayeva, A.A., Bozheyev, F., Ramazanov, T.S., Yerlanuly, Y., and Gabdullin, M.T. Influence of substrate type and synthesis time on morphological and structural properties of carbon nanowalls. Advanced Physics Research, 4 (2025). https:// doi.org/10.1002/apxr.202500156.

17. Ghodke, S., Murashima, M., Christy, D., Van Nong, N., Ishikawa, K., Oda, O., Umehara, N., and Hori, M. Mechanical properties of maze-like carbon nanowalls synthesized by the radial injection plasma enhanced chemical vapor deposition method. Materials Science and Engineering A, 862, 144428 (2023). https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144428.

18. Zhou, X., Zhang, Y., Yang, J., Li, J., Luo, S., and Wei, D. Flexible and highly sensitive pressure sensors based on microstructured carbon nanowalls electrodes. Nanomaterials, 9, 496 (2019). https://doi.org/10.3390/nano9040496.

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

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

21. Zhumadilov, R.Y., Yerlanuly, Y., Parkhomenko, H.P., Soltabayev, B., Orazbayev, S.A., Bakenov, Z., Ramazanov, T.S., Gabdullin, M.T., and Jumabekov, A.N. Carbon nanowall-based gas sensors for carbon dioxide gas detection. Nanotechnology, 35, 165501 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad1a7e.

22. Parkhomenko, H.P., Yerlanuly, Y., Brus, V.V., and Jumabekov, A.N. Effect of mild mechanical stresses on device physics of slot-die coated flexible perovskite solar cells. Organic Electronics, 129, 107049 (2024). https://doi.org/10.1016/j.orgel.2024.107049.

23. Ye, R., Zhumadilov, R.R., Nemkayeva, R.R., Yerlanuly, Y., and Gabdullin, M.T. In situ Raman analysis of electrochemical phenomena in carbon nanowalls. Recent Contributions to Physics, 88 (2024). https://doi.org/10.26577/RCPh.2024v88i1a08.

24. Ni, Z.H., Fan, H.M., Feng, Y.P., Shen, Z.X., Yang, B.J., and Wu, Y.H. Raman spectroscopic investigation of carbon nanowalls. Journal of Chemical Physics, 124, 204703 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2200353.