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Tailoring confined carbyne
Clara Freytag
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Thomas Pichler
DOI
10.25365/thesis.78476
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18833.05389.613433-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Carbin ist ein Allotrop des Kohlenstoffs, das aus einer linearen Kette aus sp1-hybridisiertem Kohlenstoff besteht und beeindruckende Eigenschaften und ein enormes Anwendungspotenzial hat. Es ist ein eindimensionales Material mit einer interessanten Bindungssituation, kontrollierbaren elektronischen Eigenschaften und einzigartiger mechanischer Stabilität. Allerdings ist freistehendes Carbin nicht stabil, da es zu einem stark exothermischen Zusammenfall der Kette oder Reaktion mit anderen Ketten kommen würde. Die erste erfolgreiche Synthese von Carbin wurde erzielt, indem die Kohlenstoffketten direkt in einem doppelwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen hergestellt wurden. Die Kohlenstoffnanoröhrchen dienen als Nanoreaktor und stabilisieren die Kette, indem sie die Reaktion der Kette mit sich selbst oder anderen Ketten sterisch verhindern. In den letzten Jahren wurden verschiedene Synthesepfade für Carbin entwickelt, die hauptsächlich auf der Hochtemperaturbehandlung im Hochvakuum beruhen. Es gibt allerdings noch keinen reproduzierbaren Weg für die Carbinsynthese, der konsistent hohe Ausbeute liefert. Eines der größten Hindernisse dafür ist das Fehlen einer verlässlichen Methode für das Bestimmen der Ausbeute. Raman Spektroskopie ist die bevorzugte Methode zur Untersuchung von Carbin in Kohlenstoffnanoröhrchen, da Carbin einen extrem hohen Streuquerschnitt hat. Dadurch hat Carbin ein sehr starkes Signal im Raman Spektrum. Allerdings ist das Resonanzverhalten der Carbinketten sehr irregulär, weshalb das Signal im Ramanspektrum kein guter Indikator für die Ausbeute ist. In dieser Arbeit wurde eine neue Methode für die Bestimmung der Ausbeute entwickelt, die nicht auf dem irregulären Resonanzverhalten des Carbinsignals beruht, sondern auf Ramanmoden, die dem stabilen Resonanzverhalten der umgebenden Nanoröhrchen folgen. Diese Moden sind gekoppelte Moden zwischen der Kette und dem Nanoröhrchen, die erst kürzlich mit anharmonischer Phononenwechselwirkung beschrieben wurden. Das Modell, das auf den gekoppelten Moden basiert, ist einfach, schnell und unabhängig von der Laserenergie, mit der das Raman Spektrum aufgenommen wurde. Zusätzlich berücksichtigt das Modell die Durchmesserverteilung in der Probe, da nicht jeder Durchmesser an Kohlenstoffnanoröhrchen geeignet ist, die richtigen inneren Röhrchen zu wachsen, in denen auch die Ketten gut wachsen und stabilisiert werden können. Wenn man die Ausbeute in Relation zu den Anteilen an passenden Nanoröhrchen setzt, ergibt sich dadurch eine Metrik, die besagt, wie sehr das Potenzial einer bestimmten Probe ausgeschöpft wurde. Mit dem neuen Modell wurden quantitative Erkenntnisse über den Einfluss verschiedener Parameter auf die Ausbeute von Carbin gewonnen. Die untersuchten Parameter waren das Füllen mit kohlenstoffhaltigen Molekülen (z.B. Fullerene) als Kohlenstoffquelle für das Wachstum der Carbinkette, die Temperatur während der Hochtemperaturbehandlung und die Wiederholungen der Hochtemperaturbehandlungen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse zu den grundlegenden Mechanismen, die das Wachstum von Carbin in Kohlenstoffnanoröhrchen bestimmen. Um neue Materialien auf Basis von Carbin herzustellen, wurden Heteroatome in das System eingeführt. Es wurden mit Stickstoff dotierte Fullerene in die Nanoröhrchen gefüllt und dann in Carbinketten umgewandelt. Mithilfe von Ramanspektroskopie konnte nachgewiesen werden, dass Stickstoffatome in die Kette eingefügt wurden. Eine weitere Methode, um Heteroatome in das System einzubinden war das Behandeln der Nanoröhren mit einem Bornitrid Präkursor mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD). Auch mit dieser Methode konnten Carbinketten mit Heteroatomen hergestellt werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, das System Carbin/Kohlenstoffnanoröhre maßzuschneidern und eventuell neue Eigenschaften zu entdecken. Methoden für zuverlässige Syntheses und kontrollierbare Eigenschaften sind ein wichtiger Baustein für den Fortschritt in Carbin-basierten Technologien. Carbin hat großes Potenzial in Anwendungen wie Sensoren, Thermometrie und Nanoelektronik.
Abstract
(Englisch)
Carbyne, the carbon allotrope consisting of an sp1-hybridized linear carbon chain, is a novel material with remarkable properties and potential applications. It is a true one-dimensional material with an interesting bonding situation, tunable electronic band gap and unparalleled mechanical properties. Free-standing carbyne is, however, not stable due to exothermic collapse of the chain or cross-linking with other chains. The first successful synthesis of carbyne was achieved by confining the chain inside a double-walled carbon nanotube. The interaction with the tube stabilizes the chain and sterically prevents cross-linking or collapse. In recent years, many different pathways for confined carbyne synthesis were developed, mainly based on high-temperature high-vacuum annealing. Unfortunately, no robust method for consistently high yields of confined carbyne exists yet. One of the main obstacles to developing such a synthesis method is the lack of a reliable determination of the bulk yield. Raman spectroscopy is the preferred method for analyzing confined carbyne due to the high Raman scattering cross section of carbyne, leading to high signals from the chain. Unfortunately, carbyne also has a highly irregular resonance behavior which makes the Raman peak of carbyne a poor indicator for yield. In this thesis, a new model was developed which does not rely on the resonance behavior of the chain, but rather on Raman modes following the more regular resonance behavior of the surrounding nanotube host. These are coupled modes which were recently described by anharmonic phonon-phonon interactions. The coupled mode yield evaluation model is fast, robust and not dependent on the incident laser energy, providing an easy way to determine the bulk yield of carbyne confined in double-walled carbon nanotubes. Additionally, the model considers the diameter distribution of the sample, since only a narrow window of diameters is suitable to grow inner tubes with the appropriate diameter for the growth of carbyne. Relating the bulk yield to the fraction of theoretically fillable nanotubes in the sample provides the realized growth potential, which is an essential metric when comparing samples from different starting materials and determining the efficiency of the synthesis. Using the novel model, quantitative assessments of the influence of the main parameters in the carbyne synthesis were made. The studied parameters were the filling of the host tubes with carbonaceous precursor, temperature and annealing step sequences. These results provide crucial insights into the fundamental formation mechanisms of confined carbyne, advancing our understanding of this promising hybrid nanomaterial system. In order to create new structures based on the confined carbyne system, heteroatoms were introduced during the synthesis. Nitrogen doped precursors were filled into the nanotube hosts to create doped carbyne chains. The incorporation of nitrogen atoms into the chains and the surrounding carbon nanotube hosts was confirmed using Raman spectroscopy. The doping of carbyne was also achieved by treating the carbon nanotube hosts with a boron-nitride precursor using chemical vapor deposition. From the doped carbon nanotube hosts, doped carbyne chains were grown. The results demonstrate the possibility to tailor the confined carbyne system and unlock new properties. Reliable synthesis methods and controllable properties as presented here are an important step in the advancement of technology using confined carbyne. In the future, this material has great potential in applications such as molecular sensing, thermometry, and nano-electronics.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohlenstoff Carbin Raman Spektroskopie Kohlenstoffnanoröhrchen Hybride Strukturen
Schlagwörter
(Englisch)
Carbon Carbyne Raman Spectroscopy Carbon Nanotubes Hybrid Structures
Autor*innen
Clara Freytag 
Haupttitel (Englisch)
Tailoring confined carbyne
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
x, 131 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Ado Jorio de Vasconcelos ,
Antonio Setaro
Klassifikation
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
AC Nummer
AC17545511
Utheses ID
75908
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |