Инфракрасные сенсорные свойства многослойных нанокомпозитных пленок CuO/CNPs, полученных электрофоретическим синтезом

Цель. Получение и исследование сенсорных свойств многослойных нанокомпозитных электрофоретических пленок CuO/CNPs в инфракрасном диапазоне.
Методы. Исследование морфологии и размерного состава нанокомпозитных пленок CuO/CNPs с помощью атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии; установление химического состава с помощью рентгеновской дифрактометрии, исследование сенсорной чувствительности при инфракрасном облучении оптоволоконным лазерным источником с длиной волны λ = 1064 нм; изучение временных характеристик наведенной фотоэлектродвижущей силы с помощью оптоэлектрических измерений (ADC L-CARD E2010D), сопряженных с персональным компьютером.
Результаты. Методом электрофоретического синтеза на стеклянной подложке получены нанокомпозитные пленки CuO/CNPs толщиной от 0,1 до 1 мкм. Установлено, что нанокомпозитные пленки CuO/CNPs формируются за счет упорядоченного структурирования углеродных наночастиц вдоль направления электрического поля под действием электрофоретических сил. Одновременно за счет электролитического процесса на поверхности углеродных частиц образуется слой оксида меди с металлических электродов. Предельный размер углеродных частиц составил 50–70 нм в зависимости от параметров получения пленок. Разработана методика получения многослойных композитных пленок CuO/CNPs толщиной от одного до десяти слоев.
Установлено, что при облучении синтезированных десятислойных нанопленок инфракрасным излучением интенсивностью 75 мВт/см-2 величина фотогенерированной ЭДС достигает 122,5 мВ.
Заключение. Получены многослойные нанокомпозитные пленки CuO/CNPs с сенсорными свойствами в инфракрасном диапазоне. Установлено, что при увеличении толщины синтезированных пленок от одного до десяти слоев величина фото-ЭДС при ИК-облучении с интенсивностью 75 мВт/см-2 растет от 17 до 122,5 мВ.

1. Flexible infrared detectors based on p-n junctions of multi-walled carbon nanotubes / Z. Huang, M. Gao, Z. Yan, T. Pan, F. Liao, Y. Lin // Nanoscale. 2016. Vol. 8(18). P. 9592–9599.

2. CuO nanowire-based metal semiconductor metal infrared photodetector / M. Tetseo, P. Deb, S. Daimary, J. C. Dhar // Applied Physics A: Materials Science and Processing. 2021. Vol. 127, no. 5. P. 1–6.

3. Nanocomposites of carbon nanotube (CNTs)/CuO with high sensitivity to organic volatiles at room temperature / J. Zheng, Q. Zhang, X. He, M. Gao, X. Ma, G. Li // Procedia Engineering. 2012. Vol. 36. P. 235–245.

4. Lyu X. Recent progress on infrared detectors: materials and applications // Highlights in Science, Engineering and Technology. 2022. Vol. 27. P. 191–200.

5. Chuang R. W., Huang Y. H, Tsai T. H. Germanium-Tin (GeSn) metal-semiconductorMetal (MSM) // Micromachines. 2022. Vol. 13. P. 1733(1)–1733(16).

6. Advances in transition metal dichalcogenides-based flexible photodetectors / V. Pavelyev, P. Sharma, A. Rymzhina, P. Mishra, N. Tripathi // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2022. Vol. 33(32). P. 24397–24433.

7. Moumen A., Kumarage G. C. W., Comini E. P‐Type metal oxide semiconductor thin films: synthesis and chemical sensor applications // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 4. P. 1359(1)– 1359(45).

8. Faisal A. D., Aljubouri A. A., Khalef W. K. Photodetector fabrication based on heterojunction of CuO/SnO2/Si nanostructures // Bulletin of Materials Science. 2022. Vol. 45(2). P. 84–92.

9. Optical and microstructural characteristics of CuO thin films by sol gel process and introducing in non-enzymatic glucose biosensor applications / J. Lillo-Ramiro, J. M. Guerrero-Villalba, M. L. Mota-González [et al.] // Optik. 2021. Vol. 229. P. 166238(1)–166238(13).

10. Infrared absorption properties of carbon nanotube/nanodiamond based thin film coatings / V. J. Gokhale, O. A. Shenderova, G. E. McGuire, M. Rais-Zadeh // Journal of Microelectromechanical Systems. 2014. Vol. 23(1). P. 191–196.

11. A simple infrared nanosensor array based on carbon nanoparticles / J. Dai, L. Yuan, Q. Zhong [et al.] // Frontiers of Optoelectronics. 2012. Vol. 5(3). P. 266–270.

12. Заявка на изобретение № 2023103450 Рос. Федерация. Заявл. 15.02.2023.

13. Nanocomposite films of CNPs/CuO structures by electrophoresis method / N. W. Aung, M. A. Pugachevskii, A. P. Kuzmenko, M. M. Than // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2064(1). P. 012105(1)–012105(6).

14. The investigation of the electromagnetic shielding effectiveness of multi-layered nanocomposite materials from reduced graphene oxide-doped P(AN-VAc) nanofiber mats/PP spunbond / İ. Tiyek, M. Yazıcı, M. H. Alma, Ş. Karataş // Journal of Composite Materials. 2019. Vol. 53(11). P. 1541–1553.

15. Layer-by-Layer Assembly for Graphene-Based Multilayer Nanocomposites: Synthesis and Applications / T. Lee, S. H. Min, M. Gu [et al.] // Chemistry of Materials. 2015. Vol. 27(11). P. 3785–3796.

16. Layer-by-layer assembled composites from multiwall carbon nanotubes with different morphologies / M. Olek, J. Ostrander, S. Jurga [et al.] // Nano Letters. 2004. Vol. 4(10). P. 1889– 1895.

17. Transparent, flexible conducting hybrid multilayer thin films of multiwalled carbon nanotubes with graphenenanosheets / T. K. Hong, D. W. Lee, H. J. Choi, H. S. Shin, B. S. Kim // ACS Nano. 2010. Vol. 4(7). P. 3861–3868.

18. Rivero P. J., Goicoechea J., Arregui F. J. Layer-by-layer nano-assembly: A powerful tool for optical fiber sensing applications // Sensors (Switzerland). 2019. Vol. 19(3). P. 683–718.

19. Green systematic approach of carbon/CuO nano composites using aristolochia bracteolate by response surface methodology / S. M. Roopan, H. Sharma, G. Kumar, A. Mishra, V. A. Agrawal // Journal of Cluster Science. 2019. Vol. 30(5). P. 1177–1183.

20. Facile green synthesis of carbon nanoparticles using medicinally potent Pongamiapinnata shoots / B. S. N. Prasad, T. V. N. Padmesh, K. S. U. Suganya, K. Govindaraju, V. G. Kumar // Journal of Environment and Biotechnology Research. 2016. Vol. 3, no. 1. P. 12–16.

21. Hossain M. A. Synthesis of carbon nanoparticles from kerosene and their characterization by SEM/EDX, XRD and FTIR // American Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2013. Vol. 1(2). P. 52–56.

22. A high precision length-based carbon nanotube ladder / Z. Borzooeian, M. E. Taslim, S. Rezvani, G. Borzooeian // RSC Advances. 2018. Vol. 8(63). P. 36049–36055.

23. Chemical assembly of copper oxide and single walled carbon nanotubes for enhanced photocatalytic dye degradation under solar light irradiation / K. P. Sapkota, M. A. Islam, M. A. Hanif, J. Akter, J. R. Hahn // Materials Proceedings. 2021. Vol. 4(1). P. 1–5.

24. Temperature-controlled self-assembled synthesis of CuO, Cu2O and Cu nanoparticles through a single-precursor route / X. Liu, B. Geng, Q. Du, J. Ma, X. Liu // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 448. P. 7–14.

25. A green route for the cross-coupling of azide anions with aryl halides under both base and ligand-free conditions: Exceptional performance of a Cu2O-CuO-Cu-C nanocomposite / M. Karimzadeh, K. Niknam, N. Manouchehri, D. Tarokh // RSC Advances. 2018. Vol. 8(45). P. 25785– 25793.

26. Biogenic-mediated synthesis of mesoporous Cu2O/CuOnano-architectures of superior catalytic reductive towards nitroaromatics / M. S. Alhumaimess, A. A. Essawy, M. M. Kamel, I. H. Alsohaimi, H. M. A. Hassan // Nanomaterials. 2020. Vol. 10(4). P. 781–795.

27. Hyperbranched epoxy/MWCNT-CuO-nystatinnanocomposite as a high performance, biocompatible, antimicrobial material / S. Barua, P. Chattopadhyay, M. M. Phukan, B. K. Konwar, N. Karak // Materials Research Express. 2015. Vol. 1(4). P. 045402(1)– 045402(26).

28. Studies on sensing properties and mechanism of CuO nanoparticles to H2S gas / F. Peng, Y. Sun, W. Yu [et al.]. // Nanomaterials. 2020. Vol. 10(4). P. 774–788.

29. Monshi A., Foroughi M. R., Monshi M. R. Modified scherrer equation to estimate more accurately nano-crystallite size using XRD // World Journal of Nano Science and Engineering. 2012. Vol. 02(03). P. 154– 160.

30. Singh S., Goswami N. Dielectric study of pure CuO nanoparticles prepared through exploding wire technique // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2023. Vol. 34(3). P. 1–14.