sintesi e caratterizzazione di nanotubi di carbonio
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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.
Schouteden, M. A. J. Veld.
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(1995).
V. Scuderi, S. Scalese, S. Bagiante, G. Compagnini, L. D’Urso, V. Privitera. Direct observation of the formation
of linear C chain/carbon nanotube hybrid systems, Carbon 47 (2009): 2112-2142.
Carbon Nanotubes, Vibin Varghese 10CHE6012 SJC(PG), presentazione power point