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Group 14 and 15 elements as building blocks for low dimensional functional nanostructures

Yadav, Sandeep :
Group 14 and 15 elements as building blocks for low dimensional functional nanostructures.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Group 14 and 15 elements as building blocks for low dimensional functional nanostructures
Language: English
Abstract:

Carbon nanotubes (CNTs) are an interesting allotrope of carbon which can have a wide range of applications as they have extraordinary mechanical, electrical and thermal properties. All this makes CNTs an interesting nanomaterial for different applications ranging from mechanical sensors to electrical microelectrodes and even biological applications due to their biological compatibility. Beside the excellent material properties, the use of special structuring of these materials is of great importance. The random orientation of CNTs cannot be controlled which usually leads to irreproducible material which is not suitable for real world applications. Therefore, the controlled growth of vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) is considered in this work. VACNTs have been grown on Si/SiO2 substrates using a water-assisted chemical vapor deposition technique. By this technique highly crystalline, pure, low-layer multiwalled CNTs with a vertical orientation to the substrate are obtained. The parameters for the growth are optimized and even structuring of the VACNTs is possible obtaining VACNTs with different heights in one synthesis step. This structuring is the used to construct a nano-microstructured artificial-hair-cell-type sensor as an example for a mechanical sensor which can measure three-dimensional forces by the changing contact resistance between neighboring CNT bundles of different heights. Because to the excellent electrical properties together with the highly-increased surface area due to the vertical alignment of VACNTs, they are compared to randomly oriented CNTs for microelectrode applications. In this, the advantage of vertical alignment becomes clear in the dramatic decrease in impedance and enormous increase in capacity. These microelectrodes are then tested for biological applications for which the compatibility and growth pattern of cortical neurons on VACNTs is studied. While CNTs represent one-dimensional systems, also two-dimensional materials related to carbon such as graphene oxide and reduced graphene oxide are studied and used for gas-adsorption as well as liquids absorbents in combination with bacterial cellulose in the form of aerogels. Finally, phosphorene as an example of a two-dimensional material closely related to graphene is synthesized. Phosphorene, although structurally similar to graphene, it has a band gap in contrast to graphene which makes it an interesting material field-effect transistor devices as shown in this work.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kohlenstoffnanoröhren stellen ein interessantes Allotrop von Kohlenstoff dar, die eine breite Palette von Anwendungen haben können, da sie außergewöhnliche mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften aufweisen. Dies macht CNTs zu einem interessanten Nanomaterial für verschiedene Anwendungen, von mechanischen Sensoren bis hin zu elektrischen Mikroelektroden und sogar biologischen Anwendungen aufgrund ihrer biologischen Kompatibilität. Neben den hervorragenden Materialeigenschaften ist die Verwendung einer speziellen Strukturierung dieser Materialien definierter Orientierung von großer Bedeutung. Damit kann man morphologisch reproduzierbare Materialien erhalten, die für Anwendungen besser geeignet ist. Daher wird in dieser Arbeit das kontrollierte Wachstum von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) betrachtet. VACNTs werden auf Si/SiO2-Substraten unter Verwendung einer wasserunterstützten chemischen Dampfabscheidungstechnik synthetisiert. Durch diese Technik werden hochkristalline, reine und mehrwandige CNTs mit weniger Schichten und einer vertikalen Orientierung zum Substrat erhalten. Die Parameter für das Wachstum wurden optimiert, um auch VACNTs mit unterschiedlichen Höhen in einem Syntheseschritt zu ermöglichen. Diese Strukturierung dient dazu, einen nano-mikrostrukturierten haarzellartigen Sensor zu erhalten, der beispielsweise als ein mechanischer Sensor dreidimensionale Kräfte durch den wechselnden Kontaktwiderstand zwischen benachbarten CNT-Bündeln unterschiedlicher Höhe messen kann. Wegen der hervorragenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit der stark erhöhten Oberfläche der vertikal ausgerichteten VACNTs wurden sie mit ungeordneten CNTs für Mikroelektrodenanwendungen verglichen. Dabei wird der Vorteil der vertikalen Ausrichtung in der dramatischen Abnahme der elektrischen Impedanz und der enormen elektrischen Kapazitätserhöhung gegenüber planaren Elektroden deutlich. Diese Mikroelektroden wurden in Hinblick auf biologische Anwendungen getestet. Speziell wurde das Wachstum kortikaler Neuronen untersucht. Während CNTs eindimensionale Systeme darstellen, wurden auch zweidimensionale kohlenstoffbasierte Materialien, wie Graphenoxid und reduziertes Graphenoxid, untersucht und sowohl für die Gasadsorption als auch als Flüssigkeitsabsorptionsmittel in Kombination mit bakterieller Cellulose in Form von Aerogelen verwendet. Zum Schluss wurde Phosphoren, als Beispiel für ein zweidimensionales Material, das eng mit Graphen in seiner Struktur verwandt ist, synthetisiert. Phosphoren, obwohl strukturell ähnlich mit Graphen, besitzt im Gegensatz zu Graphen eine Bandlücke, die es zu einem interessanten Material für Feldeffekt-Transistoren macht, wie in dieser Arbeit ebenfalls gezeigt wird.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Anorganische Chemie
Date Deposited: 15 Dec 2017 11:39
Last Modified: 15 Dec 2017 11:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-70411
Referees: Schneider, Prof. Dr. Jörg J and Yilmazoglu, PD Dr Oktay
Refereed: 27 November 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7041
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