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In-situ Raman spectroscopy and synthesis of one dimensional carbon nanostructures
Johnny Fabricio Chimborazo Guerrón
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.63990
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22801.87555.612852-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Halbleitertechnologie ist eines der Gebiete, in denen die Forschung mit nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien einen vielversprechenden Anwendungsbereich hat. Um ihre Verwendung in der Nanoelektronik zu ermöglichen, ist jedoch eine genaue Kontrolle ihres strukturellen Eigenschaften erforderlich. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf die Synthese eindimensionaler Kohlenstoffnanostrukturen, nämlich einwandiger Kohlenstoffnanoröhren und Carbine, in einem schützenden Nanoreaktor, der selbst wieder der Hohlraum in einer äußeren einwandigen Kohlenstoffnanoröhre ist. Bisher können solche Strukturen mit Methoden wie der chemischen Gasphasenabscheidung und anderen chemischen Methoden hergestellt werden. Diese Doktorarbeit konzentriert sich jedoch stark auf die experimentelle Realisierung die Synthese an nur einem einem lokalisierten Punkt. Der Punkt wird lokal durch einen fokusierten Laserstrahl geheizt und befindet sich in einer für Gasphasenabscheidung geeignetsn chemischen Umgebung. Der Laser kann nicht nur zum lokalen heizen sondern auch mithilfe einer Ramanspektrometers zur speltroskopischen Untersuchung der lokalen Syntheseprodukte verwendet werden. Wir haben ein Vakuumsystem implementiert, bei dem die einwandigen Kohlenstoffnanoröhren auf ein geeignetes Substrat gelegt und dann erhitzt und als chemische Reaktoren verwendet werden können, während sie einer Kohlenwasserstoffquelle ausgesetzt werden, um eine neue Strukturen im inneren Holraum zu bilden. Die Kopplung dieses Aufbaus an das Raman-Spektrometer ist entscheidend damit Syntheseprozesse und spektroskopische Untersuchungen unmittelbar verknüpft werden können.
Die lokalisierte Synthese wurde in der Tat schon in anderen Labors versucht. Der Vorteil dieser Arbeit beruht jedoch auf dem Ausgangsmaterial, bei dem es sich um Nanoröhren mit einer kontrollierten Durchmesserverteilung und einer bekannten Chiralität handelt. Dies bietet den Vorteil, das Material das im Inneren wächst sehr genau zu kennen, und ermöglicht es uns, die Eigenschaften der Innenrohre und linearen Kohlenstoffketten besser zu verstehen. Dies ist ein neuartiger Ansatz, um Kholestoffketten herzustellen, und die hier vorgestellte wissenschaftliche Arbeit ebnet den Weg für weiterführende zukünftige Arbeiten.
Das erste Kapitel bietet eine gründliche Einführung in das Gebiet der Kohlenstoffnanomaterialien und das zweite einen Hintergrund zu deren elektronischen und optischen Eigenschaften. Die Beschreibung von Graphen wurde aus praktischen Gründen in mehreren Abschnitten berücksichtigt. Im dritten Kapitel gibt es zunächst einen Überblick über die gängigen Synthesemethoden und dann den theoretischen Hintergrund der Raman-Spektroskopie auf Kohlenstoffmaterialien. Anschließend wird eine Beschreibung der in-situ Methoden bereitgestellt. Das vierte, fünfte und sechste Kapitel enthalten die Ergebnisse der Experimente mit einer gründlichen Diskussion. Hier wird insbesondere auf Überlegungen bezüglich der Metallizität der Nanoröhren, der Länge der Ketten und anderer Aspekte, die mit dem Stand der Technik auf dem Gebiet zusammenhängen eingegangen. Schließlich habe ich ein Kapitel beigefügt, das kurze Schlussfolgerungen und eine Perspektive darüber enthält, wohin diese Ergebnisse führen und wie neue Experimente inspiriert werden können.
Abstract
(Englisch)
Semiconductor technology is one of the fields where the research using carbon nanostructured materials has a very promising scope of applications. However, to make their use possible in nanoelectronics it is necessary to have an accurate control of their structural properties. There are many ways of doing this. This PhD thesis focuses on the synthesis of one-dimensional carbon nanostructures, namely single-walled carbon nanotubes and carbyne, inside a protective nanoreactor, which is the hollow core of an outer single-walled carbon nanotube. To date, structures like these can be made with methods like chemical vapor deposition and other chemical methods. This PhD work focuses strongly on realizing an experimental technique to make this synthesis feasible on a localized spot combining the principles of CVD and focused laser annealing. The same laser is also used for in situ Raman spectroscopy. I implemented a vacuum system where the single-walled carbon nanotubes could be placed on top of a suitable substrate and then heated and used as chemical reactors while they were exposed to a hydrocarbon source to grow a new structure inside the hollow core. Coupling this setup to the Raman spectrometer was a key feature that allowed combining synthesis and spectroscopy for in situ studies of growth kinetics.
In this manner, it is possible to promote the synthesis and viabilize Raman measurements in-situ as a very promising solution for applications. Localized synthesis has been tried in other labs indeed. However, the advantage of this work relies on the starting material, which are nanotubes with a controlled diameter distribution and a known chirality. This provides an advantage to understand the material that grows inside and allows us going one step forward in the understanding of the properties of the inner tubes and linear carbon chains. This is a novel approach to make the chains and the work presented here paves the way for promising future work.
The first chapter is devoted to provide a thorough introduction to the field of carbon nanomaterials and the second chapter gives a background on their electronic and optical properties. The description of graphene has been taken into account in several sections for practical purposes. The third chapter provides in the first part an overview of the common synthesis methods. The second part focuses on the theoretical background of Raman Spectroscopy applied to carbon materials. Subsequently a description of in -situ methods is provided. The fourth, fifth and sixth chapters contain the results of the experiments with a thorough discussion. This also includes considerations regarding metallicity of the tubes, length of the chains and other aspects that are related to the state-of-the-art in the field. Finally, I have included a chapter providing brief conclusions and a perspective of where to go with these results and how to inspire new experiments.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Linear carbon chain inner tube growth double wall carbon nanotube laser annealing Raman spectroscopy single wall carbon nanotube as a template
Schlagwörter
(Deutsch)
Lineare Kohlenstoffkette Innenrohrwachstum doppelwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen Laserglühen Raman-Spektroskopie einwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen als Vorlage
Autor*innen
Johnny Fabricio Chimborazo Guerrón
Haupttitel (Englisch)
In-situ Raman spectroscopy and synthesis of one dimensional carbon nanostructures
Paralleltitel (Deutsch)
In-situ Raman-Spektroskopie und Synthese eindimensionaler Kohlenstoffnanostrukturen
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
xiii, 96 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Carla Bittencourt ,
Ferenc Simon
AC Nummer
AC16169280
Utheses ID
56770
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |