The Structure and Transport Properties of Single-walled Carbon Nanotubes Modified by Cobalt-containing Complexes

Abstract

В статті наведені результати досліджень структурно-морфологічних особливостей та транспортних властивостей одностінних вуглецевих нанотрубок, модифікованих кобальт-вмісними комплексами. В роботі запропонована схема, яка дозволяє одночасно проводити очистку вихідного карбонового наноматеріалу від залишок металу-каталізатору та частинок невпорядкованого нанокарбону, розділяти джгути нанотрубок на окремі нанотрубки, розрізати окремі нанотрубки по дефектам, а також модифікувати вуглецеві нанотрубки кобальт-вмісними комплексами. Проведені термомагнітометричні дослідження встановили, що після модифікації кобальт у вигляді катіонів знаходиться в складі комплексів, приєднаних до поверхні нанотрубок. При нагріванні кобальт-вмісні комплекси руйнуються і на поверхні нанотрубок утворюються наночастинки металічного кобальту. В роботі показано, що для об'ємних зразків одностінних вуглецевих нанотрубок основним механізмом провідності є стрибкова провідність із змінною довжиною стрибка для випадку трьохвимірних систем. Такий механізм провідності є характерним для невпорядкованих графітових матеріалів, а також для матів та джгутів одностінних вуглецевих нанотрубок. В роботі виявлено, що модифікація одностінних вуглецевих нанотрубок кобальт-вмісними комплексами приводить до зміни механізмів електропровідності об'ємних зразків вуглецевих нанотрубок. Електропровідність об'ємних зразків модифікованих одностінних вуглецевих нанотрубок описується в рамках степеневої температурної залежності, типової для індивідуальних одностінних вуглецевих нанотрубок. В роботі показано, що така зміна механізмів провідності об'ємних зразків одностінних вуглецевих нанотрубок пов'язана із створенням на поверхні нанотрубок невеликого від'ємного заряду внаслідок поверхневої модифікації нанотрубок.

The paper presents the results of investigation of structural and morphological peculiarities and transport properties of single-walled carbon nanotubes modified by cobalt-containing complexes. A scheme that allows simultaneously to clean the source nanocarbon material from the catalyst impurities and particles of disordered carbon, to separate single-walled tubes bunches into individual tubes, to cut the tubes along to defects and to modify tubes surface by cobalt-containing complexes is proposed. Using the thermomagnetometric method, it was found that attached to the surface of the carbon nanotubes cobalt is in the form of cations in the complicated complexes. When heating modified carbon nanotubes the complicated complexes are destroyed, and cobalt nanoparticles are formed. It is revealed that for bulk specimens of source single-walled carbon nanotubes the main mechanism of conductivity is the hopping conductivity with the variable hopping length for 3D system. Such conduction mechanism is typical of disordered graphite materials, as well as of mats and binders of single-walled carbon nanotubes. It is shown that modification of single-walled carbon nanotubes by cobalt-containing complexes results in a change in the character of the conductivity for bulk specimens of single-walled carbon nanotubes. For bulk specimens of modified singlewalled carbon nanotubes, conductivity is described in terms of power temperature law that is typical of individual single-walled carbon nanotubes. It is shown that such a change in the conduction mechanism during surface modification is associated with the creation of a small negative charge on the surface of nanotubes during the modification.