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Purification, stability and bonding environments on B- doped Single-walled carbon nanotubes
a study on the electronic and optical properties
Carlos Alberto Reinoso Jerez
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Paola Ayala
DOI
10.25365/thesis.51972
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17736.21413.318165-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Erforschung der Eigenschaften von einwandigen Bor dotierten Kohelnstoffnanoröhren (CBx-SWCNT), wobei deren Herstellung, Trennung und Charakterisierung erforscht wurden. Zwar wurden substitutionelle Dotierung, genauer gesagt die substitionelle Dotierung von Kohlenstoffatomen im hexagonalen Gitter durch Heteroatome während der letzten drei Jahrzehnten erforscht, doch Boratome einzubinden ist immer noch eine der größten Herausforderungen, da die Chemie borhaltiger Verbindungen experimentelle Probleme verursacht, wenn es um Verfahren zur Massenproduktion geht, wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Inspiriert durch potenzielle Anwendungen liegt der Fokus dieser Arbeit nicht nur auf der effizienten Produktion von CBx-SWCNT, sondern auch auf der eingehenden Untersuchung der physikalischen Eigenschaften. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Kontrolle der Dotierstoff-Konzentration und der Bindungsumgebung in der Probe gelegt. Um mögliche Methoden zur Herstellung großer Mengen zu entwickeln, wurde ein Messaufbau
zur chemischen Gasphasenabscheidung mittels Hochvakuum adaptiert. Hierzu mussten mehrere Varianten getestet werden. Die im Rahmen der Versuche ermittelten Parameter und Methoden bildeten schließlich auch die Grundlage für die Ergebnisse die aus dieser Arbeit hervorgingen und in Zusammenhang damit auch zu wissenschaftlichen Publikationen führten. Aufgrund der Erwartung, dass Bor stabiler als andere substitutionelle Dotierstoffe ist, wurde besondere Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von Reinigungsmethoden gelegt. Eine Kooperation mit Kollegen der Tokyo Metropolitan University, die hinsichtlich der Anwendung der Dichtegradientenzentrifugation zur Reinigung und Separation von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren Pionierarbeit geleistet haben, wurden ins Leben gerufen.
Als Teil dieser Arbeit ist es gelungen zum ersten Mal eine systematische Methode zur Reinigung zu entwickeln. Auf diese Weise verbessert und auf die Verwendung von Tensiden optimiert, die direkt den Katalysator entfernen, ohne Spuren von Verunreinigungen zu hinterlassen. Nach dem Erreichen dieses Ziels ist es auch gelungen, die ersten Schritte in Richtung Sortierung von CBxSWNT zu machen, wobei Proben mit den Chiralitäten (6,5) und (5,4) angereichert wurden. In Bezug auf das Verständnis der heteroatomaren Bindungsumgebung im Kohlenstoffnanoröhrengitter konnten bemerkenswerte Resultate durch die Charakterisierung mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erzielt wurden. Zum Beispiel konnte durch die Verwendung eines Systems zur Verdampfung einer spezifischen festen Quelle, welche Bor- und Kohlenstoffatome in stöchiometrischem Verhältnis enthalten, ein Rekordwert von 13 at. % (in ungereinigten Proben) und 6 at. % (in gereinigten Probe) substitutioneller Boratome in einer Probe erzielt werden, welche direkt nach der Synthese und Reinigung gemessen wurde. Dies ist fast eine Größenordnung mehr als mit ähnlichen Techniken berichtet. Raman Spektroskopie, optische Absorption, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie waren die wichtigsten Techniken, die in dieser Arbeit verwendet wurden. Zusammenfassend kann nun festgehalten werden: dadurch, dass die Produktion der CBx-SWCNT bewerkstelligt und der Reinheitsgrad kontrolliert werden konnte, sowie die Struktur der Bindung zwischen Bor- und Kohlenstoffatome verstanden, ergibt sich letztendlich ein Forschungsstand, der es erlaubt mögliche Anwendungen an zudenken. Die vorliegender Dissertation erläutert das Thema in sieben Kapiteln beschreibt, beginnend mit einer umfassenden Einführung, welche die Motivation für diese Arbeit verdeutlicht. Kapitel 2 liefert einen kritischen Überblick über in der facheinschlägigen Literatur beschrieben Prozesse hinsichtlich zur Syntthetisierung und Charakterisierung verwendeten Methoden und Prozesse. Kapitel 3 konzentriert sich auf die entwickelten Synthesemethoden im Detail, wohingegen Kapitel 4 die erfolgreichen (und die Rechtfertigung für die fehlgeschlagenen) Reinigungsmethoden beschreibt. Kapitel 5 beschreibt ein facettenreiches Beispiel der Verwendung einer festen Kohlenstoff und borhaltigen Quelle im Detail, wobei die Wandelbarkeit eines zwei
Stufen Reaktors zu diesem Zweck erstmalig bewiesen wird. Darüber hinaus konnten einwandige CBx-SWCNT beobachtet und vollständig charakterisiert werden, wobei im Vergleich zur in der Fachliteratur beschriebenen Werten Rekordniveaus von eingebundenen Dotianten, sogar nach der Reinigung, erreicht werden konnten. Im letzten Kapitel werden die Ergebnisse vorgestellt, wobei die ersten Ergebnisse für sortierte einwandige Kohlenstoffnanoröhren mir Bordotierung beschrieben werden. Den Abschluss dieser Arbeit bildet ein letzte Kapitel, bestehen aus der Zusammenfassung, sowie Schlussfolgerungen meiner Forschung mit Ausblick auf zukünftige Ergebnisse, die von mir selbst und als Teil der Gruppenforschungstätigkeit zu erwarten sind.
Abstract
(Englisch)
This PhD thesis has its major focus on the properties of single-walled boron-doped carbon nanotubes (CBx-SWNT). Its production, purification and the challenges to characterize these materials have been investigated. Substitutional doping, namely the direct substitution of carbon atoms in the hexagonal lattice by heteroatoms has been explored over the last three decades. However, incorporating B specifically has been one of the most challenging tasks because the chemistry related to B containing compounds imposes experimental problems to upscale the synthesis in processes like chemical vapor deposition (CVD).
Inspired by the potential applications of such materials, this work put efforts not only on the efficient production of CBx-SWNT, but also on their physical properties.
Particular attention has been given to the control of the dopant concentration and bonding environments in the samples. We adapted a high vacuum CVD system in order to explore possibilities to develop an upscaleable method. A number of modifications were made to the system producing very interesting results as reported herein. These also set the basis for the results published in the papers that came out of this PhD thesis.
Given that Boron is expected to be more stable than other substitutional dopants, special attention was given to the development of purification methods. For these purposes a joint effort was made with colleagues from Tokyo Metropolitan University in Japan, who are pioneers in the use of density gradient ultracentrifugation for purification and sorting of single-walled carbon nanotubes. As part of this work we were able to report for the first time a systematic study for purification, which was improved and optimized towards the use of only one surfactant that directly removes the catalysts without leaving traces of major impurities.
As for the understanding of the heteroatomic bonding environment within the carbon nanotube lattice, striking results came out of the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization. For instance, using a system adapted for the evaporation of a unique solid source that contained boron and carbon in its stoichiometry, record incorporation of B substitutional atoms was achieved reaching up to 13 and 6 at. % of substitutional B in as-grown and purified samples correspondingly. This is almost an order of magnitude larger of everything reported so far with techniques alike.
Raman Spectra, Optical Absorption Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy have been the major techniques used in this work. Summarizing the results of this thesis, it is remarkable that we have been able to master the production of CBx-SWNT, control their degree of purity, and to understand the B incorporation profile. This leaves the research status at the level that perspective applications can start to be envisaged.
In summary, this PhD thesis describes this topic in seven chapters starting from a comprehensive introduction that clarifies the motivation for this work. Chapter 2 and 3 provide a synopsis of the methodologies employed for synthesis and characterization with a critical overview of processes that have been used in previously reported literature. Chapters 4 describes the successful purification methods, whereas in chapter 5 a functional example of how to use solid sources containing carbon and boron is described in detail proving for the first time the versatility of a two stage reactor for these purposes. Also here we observe a full characterization of a single-walled product where the dopant incorporation reaches record levels even after purification compared to the available reports in the literature. In the last chapter containing results, we were also able to
make initial steps towards the sorting of CBx-SWNT finding a (6,5) and (5,4) enriched chiralities samples. Those results have imposed particular challenges but they have also allowed us to obtain an acceptable amount of semiconducting on a single step of sorting, which is also unusual compared to pristine carbon nanotubes. This PhD finalizes with a small chapter that provides a summary of the conclusions of my work including the future perspectives that are expected to be part the group’s research activities and my own.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Boron carbon nanotubes substitutional doping synthesis chemical vapor deposition density gradient ultracentrifugation purification Raman sprectrometry optical absorption X-ray photoemission
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohelnstoffnanoröhren Bordotierung Raman Spektroskopie optische Absorption Röntgenphotoelektronenspektroskopie Dichtegradientenzentrifugation
Autor*innen
Carlos Alberto Reinoso Jerez
Haupttitel (Englisch)
Purification, stability and bonding environments on B- doped Single-walled carbon nanotubes
Hauptuntertitel (Englisch)
a study on the electronic and optical properties
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
x,120 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Mauricio Terrones ,
Ákos Kukovecz
AC Nummer
AC15191610
Utheses ID
45904
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |