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Optical characterization of Boron doped single-walled carbon nanotubes

Harvey-Andrés Suárez-Moreno

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Betreuer*in

Paola Ayala

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DOI

10.25365/thesis.33781

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30111.82879.460763-0

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese Master-Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der optischen Eigenschaften von Bor-dotierten einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWCNT). Bor ist, aufgrund der geringen Größenunterschiede zwischen Bor- und Kohlenstoffatomen, eine der natürlichen Dotierungssubstanzen für SWCNT. Dennoch gestaltete sich die Herstellung solcher B-dotierter SWCNT (CBx-SWCNT) bisher sehr schwierig. Deshalb liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Charakterisierung von CBx- SWCNT. Generell erfordert die Produktion von dotierten SWCNT mittels Standard-Verfahren die präzise Kontrolle verschiedener Parameter während des Herstellungs-Prozesses. Während die Lichtbogen-Verdampfungs-Technik und die Laserablations-Technik erfolgreich zur Herstellung von CBx-SWCNT benutzt wurden, ist die Produktion mittels chemischer Gasphasenabscheidung schwieriger. Trotz Verwendung desselben Katalysators, kann die Herstellung von undotierten, Stickstoff-dotierten und Bor-dotierten SWCNT zu sehr unterschiedlichen Resultaten führen, wie zum Beispiel dem Wachstum einer großen Anzahl von undotierten SWCNT, demWachstum von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren oder keinem Nanoröhren-Wachstum. Chemische Gasphasenabscheidung im Hochvakuum wurde als Herstellungsmethode für die CBx-SWCNT in dieser Arbeit verwendet. Diese Technik erlaubt die Verwendung einer flüssigen Kohlenstoff-Quelle, welche gleichzeitig auch die Bor-Heteroatome enthält. Mittels dieser Methode wurden CBx-SWCNT Strukturen mit sehr enger Durchmesser-Verteilung erzeugt. Diese Proben wurden zuvor nur im ungereinigten Zustand erforscht, wohingegen im Rahmen dieser Studie vor allem gereinigte CBx-SWCNT untersucht wurden. Diese Untersuchungen wurden mittels Raman-Spektroskopie, Optischer-Absorptionsspektroskopie, sowie Photolumineszenz-Spektroskopie durchgeführt, welche sich besonders für diese Studien eignen, aufgrund der einzigartigen Signatur von CBx-SWCNT in optischer Absorption und Raman. Diese Master-Arbeit ist in vier Kapitel unterteilt: Das erste Kapitel enthält einen Überblick über den theoretischen Hintergrund der elektronischen und optischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren. Das zweite Kapitel erklärt die Herstellung und Charakterisierung der CBx-SWCNT Proben. In Kapitel 3 werden die experimentellen Resultate präsentiert, welche in Kapitel 4 ausführlicher diskutiert werden. Am Ende dieser Arbeit findet sich ein Kapitel mit abschließenden Bemerkungen und Schlussfolgerungen.

Abstract

(Englisch)

The following Master thesis focuses on the study of the optical response of boron doped single-walled carbon nanotubes. Boron is one of the natural dopants for SWCNTs, because of its size proximity to carbon. However, the synthesis of such materials has been hindered for several years compared to the carbon pristine counterparts. In this MsSc thesis I focus on the study of B doped single walled carbon nanotubes (CBx-SWCNTs). In general, producing doped nanotubes with the already standard techniques for the growth of pristine carbon tubes requires fine control of different parameters. Arc discharge and laser ablation were the first techniques to accomplish the synthesis of CBx-SWCNTs. However, the particular case of chemical vapor deposition was extremely difficult for several years requires very careful experimental adjustments. Using the same type of catalysts for the growth of pristine C (a), N-doped (b) or B-doped (c) can give radically different results using the same technique. This means that in the three corresponding situations, high yield of SWCNTs, growth of multiwalled tubes exclusively and no growth of tubes can actually happen using the same catalyst. The synthesis method used in this thesis was high vacuum chemical vapor deposition (HV-CVD), which is a method developed in the group that hosted this work. This technique can allow the use of a single liquid feedstock containing the carbon precursor and boron heteroatoms. The CBx-SWCNTs grown by this method have the peculiarity to grow within a very narrow diameter distribution window. However, in the preceding investigations, this material had only been characterized regarding B and bonding environments in as-grown samples. A further study with optical techniques of the same material and purified samples was lacking. The purpose of this thesis is to inspect the optical properties of this novel material making use of Raman spectroscopy, optical absorption spectroscopy and photoluminescence. These techniques are ideal to identify the tubes' properties because they exhibit selective optical absorption transitions, an ultra-sensitive resonance Raman response and their quantum yield in photoluminescence is remarkable. This master thesis is divided into four chapters: the first one provides an overview of the theoretical background behind the structural correlation between single-walled carbon nanotubes and their electronic and optical properties. Chapter 2 focuses on the material production and characterization methods. In Chapter 3 I have summarized the experimental part of my work to finalize in Chapter 4 with a discussion of the results obtained. A section with concluding remarks and perspectives is included at the end of this work.

Autor*innen

Harvey-Andrés Suárez-Moreno

Haupttitel (Englisch)

Optical characterization of Boron doped single-walled carbon nanotubes

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

51 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Paola Ayala

Klassifikation

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik

AC Nummer

AC12081251

Utheses ID

29994

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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