Single-walled carbon nanotube (SWCNT) films are promising building blocks for diversified applications in electronics, photovoltaics, and photonics. However, their electrical and optical engineering is still a challenging task owing to multiple obstacles, including the absence of fast and easy-to-use methods for the determination of SWCNT film properties. Here, we present a rapid, contactless, and universal technique for accurate estimation of both SWCNT film thicknesses and their dielectric functions. The approach combines broadband optical absorbance and highly sensitive spectroscopic ellipsometry measurements. The observed linear dependence of the film thickness on its absorbance at 550 nm provides a time-effective and contactless method of thickness assignment, which is of significant importance to the practical implementation of SWCNT films in optoelectronic devices. Additionally, our approach revealed that a simple procedure of film densification allows to controllably alter the dielectric response by at least 40% and, thus, to add extra fine-tuning capabilities during material property engineering. Therefore, this express technique as a whole offers an advanced metrological tool for current and next-generation SWCNT-based devices.

1.
I.
Jeon
,
J.
Yoon
,
N.
Ahn
,
M.
Atwa
,
C.
Delacou
,
A.
Anisimov
,
E. I.
Kauppinen
,
M.
Choi
,
S.
Maruyama
, and
Y.
Matsuo
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
5395
(
2017
).
2.
A. P.
Tsapenko
,
A. E.
Goldt
,
E.
Shulga
,
Z. I.
Popov
,
K. I.
Maslakov
,
A. S.
Anisimov
,
P. B.
Sorokin
, and
A. G.
Nasibulin
,
Carbon
130
,
448
(
2018
).
3.
J.
Di
,
X.
Zhang
,
Z.
Yong
,
Y.
Zhang
,
D.
Li
,
R.
Li
, and
Q.
Li
,
Adv. Mater.
28
,
10529
(
2016
).
4.
X.
Wang
,
Z.
Liu
, and
T.
Zhang
,
Small
13
,
1602790
(
2017
).
5.
B. I.
Afinogenov
,
D. S.
Kopylova
,
K. A.
Abrashitova
,
V. O.
Bessonov
,
A. S.
Anisimov
,
S. A.
Dyakov
,
N. A.
Gippius
,
Y. G.
Gladush
,
A. A.
Fedyanin
, and
A. G.
Nasibulin
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
24027
(
2018
).
6.
H.
Fang
,
P.
Wu
,
P.
Wang
,
Z.
Zheng
,
Y.
Tang
,
J. C.
Ho
,
G.
Chen
,
Y.
Wang
,
C.
Shan
,
X.
Cheng
,
J.
Zhang
, and
W.
Hu
,
Adv. Opt. Mater.
7
,
190059
(
2019
).
7.
K.
Cui
and
S.
Maruyama
,
Prog. Energy Combust. Sci.
70
,
1
(
2019
).
8.
P. M.
Rajanna
,
E. P.
Gilshteyn
,
T.
Yagafarov
,
A. K.
Aleekseeva
,
A. S.
Anisimov
,
A.
Neumüller
,
O.
Sergeev
,
S.
Bereznev
,
J.
Maricheva
, and
A. G.
Nasibulin
,
Nanotechnology
29
,
105404
(
2018
).
9.
A.
Graf
,
C.
Murawski
,
Y.
Zakharko
,
J.
Zaumseil
, and
M. C.
Gather
,
Adv. Mater.
30
,
1706711
(
2018
).
10.
Q.-Q.
Li
,
K.-L.
Jiang
, and
S.-S.
Fan
, U.S. patent 10,205,056 (Feb. 12
2019
).
11.
Y.
Gladush
,
A. A.
Mkrtchyan
,
D. S.
Kopylova
,
A.
Ivanenko
,
B.
Nyushkov
,
S.
Kobtsev
,
A.
Kokhanovskiy
,
A.
Khegai
,
M.
Melkumov
,
M.
Burdanova
,
M.
Staniforth
,
J.
Lloyd-hughes
, and
A. G.
Nasibulin
,
Nano Lett.
19
,
5836
(
2019
).
12.
M.
Chernysheva
,
A.
Rozhin
,
Y.
Fedotov
,
C.
Mou
,
R.
Arif
,
S. M.
Kobtsev
,
E. M.
Dianov
, and
S. K.
Turitsyn
,
Nanophotonics
6
,
1
(
2017
).
13.
E. S.
Zhukova
,
A. K.
Grebenko
,
A. V.
Bubis
,
A. S.
Prokhorov
,
M. A.
Belyanchikov
,
A. P.
Tsapenko
,
E. P.
Gilshteyn
,
D. S.
Kopylova
,
Y. G.
Gladush
,
A. S.
Anisimov
,
V. B.
Anzin
,
A. G.
Nasibulin
, and
B. P.
Gorshunov
,
Nanotechnology
28
,
445204
(
2017
).
14.
Y.
Battie
,
D.
Jamon
,
A.
En Naciri
,
J.-S.
Lauret
, and
A.
Loiseau
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
091909
(
2013
).
15.
T. M.
Barnes
,
J.
Van De Lagemaat
,
D.
Levi
,
G.
Rumbles
,
T. J.
Coutts
,
C. L.
Weeks
,
D. A.
Britz
,
I.
Levitsky
,
J.
Peltola
, and
P.
Glatkowski
,
Phys. Rev. B
75
,
235410
(
2007
).
16.
A. V.
Naumov
,
S.
Ghosh
,
D. A.
Tsyboulski
,
S. M.
Bachilo
, and
R. B.
Weisman
,
ACS Nano
5
,
1639
(
2011
).
17.
M.
Pfohl
,
D. D.
Tune
,
A.
Graf
,
J.
Zaumseil
,
R.
Krupke
, and
B. S.
Flavel
,
ACS Omega
2
,
1163
(
2017
).
18.
F. S.
Hage
,
T. P.
Hardcastle
,
A. J.
Scott
,
R.
Brydson
, and
Q. M.
Ramasse
,
Phys. Rev. B
95
,
195411
(
2017
).
19.
M. R.
Preciado-Rivas
,
V. A.
Torres-Sánchez
, and
D. J.
Mowbray
,
Phys. Rev. B
100
,
235429
(
2019
).
20.
A. C. Y.
Liu
and
R.
Arenal
,
Carbon
62
,
248
(
2013
).
21.
S.
Sarkar
and
P. K.
Das
,
Mater. Res. Bull.
48
,
41
(
2013
).
22.
D.
Li
,
J.
Zhang
,
Y.
He
,
Y.
Qin
,
Y.
Wei
,
P.
Liu
,
L.
Zhang
,
J.
Wang
,
Q.
Li
,
S.
Fan
, and
K.
Jiang
,
Nano Res.
10
,
1804
(
2017
).
23.
M.
Kierkowicz
,
E.
Pach
,
A.
Santidrián
,
S.
Sandoval
,
G.
Gonçalves
,
E.
Tobías-Rossell
,
M.
Kalbáč
,
B.
Ballesteros
, and
G.
Tobias
,
Carbon
139
,
922
(
2018
).
24.
S.
Liu
,
A. K.
Ng
,
R.
Xu
,
J.
Wei
,
C. M.
Tan
,
Y.
Yang
, and
Y.
Chen
,
Nanoscale
2
,
2744
(
2010
).
25.
Y. H.
Yang
and
W. Z.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
054101
(
2011
).
26.
H. G.
Tompkins
and
E. A.
Irene
,
Handbook of Ellipsometry
(
Springer Berlin Heidelberg
,
2005
).
27.
B.
Song
,
H.
Gu
,
S.
Zhu
,
H.
Jiang
,
X.
Chen
,
C.
Zhang
, and
S.
Liu
,
Appl. Surf. Sci.
439
,
1079
(
2018
).
28.
W.
Li
,
G.
Cheng
,
Y.
Liang
,
B.
Tian
,
X.
Liang
,
L.
Peng
,
A. R.
Hight Walker
,
D. J.
Gundlach
, and
N. V.
Nguyen
,
Carbon
99
,
348
(
2016
).
29.
G. A.
Ermolaev
,
D. I.
Yakubovsky
,
Y. V.
Stebunov
,
A. V.
Arsenin
, and
V. S.
Volkov
,
J. Vac. Sci. Technol., B
38
,
014002
(
2020
).
30.
H.-L.
Liu
,
C.-C.
Shen
,
S.-H.
Su
,
C.-L.
Hsu
,
M.-Y.
Li
, and
L.-J.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
201905
(
2014
).
31.
Y.
Pan
,
Y.
Fan
, and
J.
Niu
,
Infrared Phys. Technol.
104
,
103123
(
2020
).
32.
D. I.
Yakubovsky
,
Y. V.
Stebunov
,
R. V.
Kirtaev
,
G. A.
Ermolaev
,
M. S.
Mironov
,
S. M.
Novikov
,
A. V.
Arsenin
, and
V. S.
Volkov
,
Adv. Mater. Interfaces
6
,
1900196
(
2019
).
33.
Y.
Battie
,
D.
Jamon
,
J. S.
Lauret
,
Q.
Gu
,
M.
Gicquel-Guézo
,
A. E.
Naciri
, and
A.
Loiseau
,
Thin Solid Films
571
,
395
(
2014
).
34.
J.
Prasek
,
J.
Drbohlavova
,
J.
Chomoucka
,
J.
Hubalek
,
O.
Jasek
,
V.
Adam
, and
R.
Kizek
,
J. Mater. Chem.
21
,
15872
(
2011
).
35.
L.
Fu
and
A. M.
Yu
,
Rev. Adv. Mater. Sci.
36
,
40
(
2014
).
36.
S. A.
Romanov
,
A. E.
Aliev
,
B. V.
Fine
,
A. S.
Anisimov
, and
A. G.
Nasibulin
,
Nanoscale Horiz.
4
,
1158
(
2019
).
37.
V. M.
Gubarev
,
V. Y.
Yakovlev
,
M. G.
Sertsu
,
O. F.
Yakushev
,
V. M.
Krivtsun
,
Y. G.
Gladush
,
I. A.
Ostanin
,
A.
Sokolov
,
F.
Schäfers
,
V. V.
Medvedev
, and
A. G.
Nasibulin
,
Carbon
155
,
734
(
2019
).
38.
M.
Kuwahara
,
Y.
Kim
, and
R.
Azumi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
54
,
078001
(
2015
).
39.
O.
Reynaud
,
A. G.
Nasibulin
,
A. S.
Anisimov
,
I. V.
Anoshkin
,
H.
Jiang
, and
E. I.
Kauppinen
,
Chem. Eng. J.
255
,
134
(
2014
).
40.
A. G.
Nasibulin
,
A.
Kaskela
,
K.
Mustonen
,
A. S.
Anisimov
,
V.
Ruiz
,
S.
Kivistö
,
S.
Rackauskas
,
M. Y.
Timmermans
,
M.
Pudas
,
B.
Aitchison
,
M.
Kauppinen
,
D. P.
Brown
,
O. G.
Okhotnikov
, and
E. I.
Kauppinen
,
ACS Nano
5
,
3214
(
2011
).
41.
A.
Kaskela
,
A. G.
Nasibulin
,
M. Y.
Timmermans
,
B.
Aitchison
,
A.
Papadimitratos
,
Y.
Tian
,
Z.
Zhu
,
H.
Jiang
,
D. P.
Brown
,
A.
Zakhidov
, and
E. I.
Kauppinen
,
Nano Lett.
10
,
4349
(
2010
).
42.
O.
Urper
,
İ.
Çakmak
, and
N.
Karatepe
,
Mater. Lett.
223
,
210
(
2018
).
43.
G. M.
Mikheev
,
A. G.
Nasibulin
,
R. G.
Zonov
,
A.
Kaskela
, and
E. I.
Kauppinen
,
Nano Lett.
12
,
77
(
2012
).
44.
N.
Fukaya
,
D. Y.
Kim
,
S.
Kishimoto
,
S.
Noda
, and
Y.
Ohno
,
ACS Nano
8
,
3285
(
2014
).
45.
A. P.
Tsapenko
,
S. A.
Romanov
,
D. A.
Satco
,
D. V.
Krasnikov
,
P. M.
Rajanna
,
M.
Danilson
,
O.
Volobujeva
,
A. S.
Anisimov
,
A. E.
Goldt
, and
A. G.
Nasibulin
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
3961
(
2019
).
46.
N. C.
Passler
and
A.
Paarmann
,
J. Opt. Soc. Am. B
34
,
2128
(
2017
).
47.
Y. J.
Cho
,
N. V.
Nguyen
,
C. A.
Richter
,
J. R.
Ehrstein
,
B. H.
Lee
, and
J. C.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
1249
(
2002
).
48.
I.
Datta
,
S. H.
Chae
,
G. R.
Bhatt
,
M. A.
Tadayon
,
B.
Li
,
Y.
Yu
,
C.
Park
,
J.
Park
,
L.
Cao
,
D. N.
Basov
,
J.
Hone
, and
M.
Lipson
,
Nat. Photonics
14
,
256
(
2020
).
49.
J.
Yang
,
Z.
Wang
,
F.
Wang
,
R.
Xu
,
J.
Tao
,
S.
Zhang
,
Q.
Qin
,
B.
Luther-Davies
,
C.
Jagadish
,
Z.
Yu
, and
Y.
Lu
,
Light
5
,
e16046
(
2016
).
50.
G.
Fanchini
,
S.
Miller
,
B. B.
Parekh
, and
M.
Chhowalla
,
Nano Lett.
8
,
2176
(
2008
).
51.
Y.
Battie
,
D.
Jamon
,
J. S.
Lauret
,
A.
En Naciri
,
L.
Broch
, and
A.
Loiseau
,
Carbon
50
,
4673
(
2012
).
52.
U.
Heinemeyer
,
A.
Hinderhofer
,
M. I.
Alonso
,
J. O.
Ossó
,
M.
Garriga
,
M.
Kytka
,
A.
Gerlach
, and
F.
Schreiber
,
Phys. Status Solidi A
205
,
927
(
2008
).
53.
R.
Xiang
,
T.
Inoue
,
Y.
Zheng
,
A.
Kumamoto
,
Y.
Qian
,
Y.
Sato
,
M.
Liu
,
D.
Tang
,
D.
Gokhale
,
J.
Guo
,
K.
Hisama
,
S.
Yotsumoto
,
T.
Ogamoto
,
H.
Arai
,
Y.
Kobayashi
,
H.
Zhang
,
B.
Hou
,
A.
Anisimov
,
M.
Maruyama
,
Y.
Miyata
,
S.
Okada
,
S.
Chiashi
,
Y.
Li
,
J.
Kong
,
E. I.
Kauppinen
,
Y.
Ikuhara
,
K.
Suenaga
, and
S.
Maruyama
,
Science
367
,
537
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.