Sintesi e Caratterizzazione di nanotubi di Carbonio

Agati MartaScandurra Simone

Scarangella AdrianaDott.ssa Silvia Scalese

Università degli studi di CataniaFacoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e NaturaliCorso di laurea in Fisica

Indice

Introduzione all’argomentoTecniche di preparazione, apparato

sperimentaleEsperimento

Risultati: dati sperimentali e analisi

Conclusioni

CNTs

Ch = na1 + ma2

• diametro ~nm• Lunghezza ~micron

Diversi valori di n ed m danno vita a CNTs con diverse strutture morfologiche.

Forme allotropiche del carbonio

Diamante Grafite

SWCNTsMWCNTs

• Nanostrutture 1D formate da più piani di grafite arrotolati uno dentro l’altro, con diametro esterno tipico > 10 nm.

Nanostrutture 1D formate da un foglio di grafite (ibridizzazione sp²) avvolto su se stesso a forma di cilindro lungo la direzione del vettore chirale

• Russian doll model

• Parchment model

CNTsStruttura delle bande elettroniche

Banda di valenza e banda di conduzione si intersecano in sei punti dello spazio reciproco

GrafeneCNTs

CNT metallico n=m n-m=3*(intero)

Semiconduttore a band gap= 0 o semimetallo

CNTsProprietà

• Conducibilità elettrica• Conducibilità termica

• SWCNTs: 3500 W/(m·K) a RT• MWCNTs: 3000 W/(m·K) a RT

• Resistenza meccanica• SWCNTs: Y = 1 Tpa (grafite)• MWCNTs: Y =1-2 TPa

• Adsorbimento di gas e capillarità• Reattività chimica

CNTsApplicazioni

• Applicazioni microelettroniche

Transistor orizzontaliTransistor verticaliCircuiti integrati flessibili

• Applicazioni sensoristiche (biosensori e sensori di gas)

• Display e emettitori di elettroni (microscopia elettronica).

Materiali a bassa costante dielettrica

Tecniche di Sintesi• Ablazione laser

• CVD

• Radio Frequency Magnetron sputtering

Tecnica costosa, pochi difetti, creazione di SWCNT, dimensioni abbastanza controllate, no crescita su substrati

Tecnica meno costosa, molti difetti a causa delle temp basse, dimensioni controllate, necessita di catalizzatori sia per SWNT che per MWNT, crescita su substrati

Strutture diverse a seconda della temp del plasma e del gas di sputter, dimensioni controllate, molti difetti, necessita di catalizzatori, crescita su substrati

Tecniche poco costose, pochi difetti a causa delle temp alte, dimensioni parzialmente controllate, necessita di catalizzatori solo per SWCNTs, no crescita su substrati

• Scarica ad arco in vuoto (He, Ar)• Scarica ad arco in liquido ( H2O, N2 liquido)

Tipi di Crescita mediante catalizzatori

TIPROOT

Il gas di C si deposita intorno al catalizzatore, formando un guscio su di esso e cresce, lasciando il metallo alla base.

Il gas di C che arriva e si deposita sul catalizzatore diffonde in esso, fino a saturazione precipitazione all’esterno: il C si lega al substrato, trascinando verso l’alto il catalizzatore.

Le dimensioni dei diametri dei CNT cresciuti e il loro tipo (SWCNTs, MWCNTs) dipendono dalle dimensioni del catalizzatore

La nostra esperienzaSintesi di CNT

Tecnica: scarica ad arco in liquido ( )Gli elettrodi sono immersi in un liquido e vengono avvicinati finchè non avviene la scarica. Parte del materiale si distacca dall’anodo e si deposita sul catodo caldo, formando strutture particolari di C (CNT, fullerene, carbon onions…)

Parametri mantenuti costanti:• Dimensione elettrodi

anodo 5 mmcatodo 10 mm

• Corrente di scarica ~ 80 A• Tensione elettrodi ~ 25 V• Tempo di scarica 55s-90s

 

La nostra esperienzaCaratterizzazione dei CNT

Sorgente di elettroni di tipo Schottky(field emission)

Morfologia del campioneTramite scarica ad arco in liquido non si formano solo CNT, ma anche strutture sferiche, poliedriche o amorfe nelle regioni del catodo dove la temperatura è più bassa.

Piani di grafite

Strutture colonnari

CNT (regione centrale, più calda)

Bordo con strutture colonnari in + Ni

Piani di grafite arrotolati Piani di grafiteCNT circondati da strutture

poliedriche, tra le quali i carbon onions

Analisi datiSoftware: Gatan

Misura della distanza interplanare mediante FFT

Misura del diametro interno ed esterno

Misura della distanza interplanare e del numero di wall mediante profilometria

Confronto diametri SEM

ln 2 + Ni

+ Ni +Y

Confronto diametri TEM

ln 2 + Ni

+ Ni +Y

Possibile presenza di catena lineare di Carbonio

Double walls

+ Ni + Ni +Y

CNT cup

ln 2

Chiusura simultanea dei CNT

+ Ni

Chiusura simultanea dei CNT

+ Ni +Y

Chiusura interna e riapertura di 5 walls in

I CNT sintentizzati tramite scarica ad arco in liquido non sono puliti

Conclusioni

• Le differenze morfologiche osservate nei tre campioni dipendono

prevalentemente dall’ambiente di sintesi dei CNTs.

• I CNTs ottenuti tramite scarica ad arco in liquido non sono puliti e sono aggrovigliati: necessitano di processi di purificazione prima dell’utilizzo nelle varie applicazioni.

• Non abbiamo osservato SWCNTs.• Dalle analisi SEM e TEM si evince che: LN2 : presenza di regioni con CNT, regioni

con poliedri e sfere, ma no piani grafitici; diam interni anche <1nm; diam esterni variabili; cup simmetriche, con poche eccezioni; chiusura simultanea delle pareti, con poche eccezioni; presenza di catene liineari.

H2O deion. + Ni: presenza di regioni con CNT, regioni con poliedri e regioni con piani grafitici; cup prevalentemente asimmetriche con chiusura non simultanea delle pareti interne (probabile causa: la presenza di Ni determina delle deformazioni della struttura esagonale del grafene); diam esterni variabili (da 8 a 30 nm).

H2O deion. + Ni+ considerazioni analoghe al caso precedente.

Grazie

Bibliografia

S. Scalese, Sintesi e caratterizzazione di nanotubi di carbonio

The Wondrous World of Carbon Nanotubes, M. Daenen, R.D de Fouw, B. Hamers, P. G. A. Janssen, K.

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V. Scuderi, S. Scalese, S. Bagiante, G. Compagnini, L. D’Urso, V. Privitera. Direct observation of the formation

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Carbon Nanotubes, Vibin Varghese 10CHE6012 SJC(PG), presentazione power point