Eigenschaften und Anwendungen von Netzwerken aus Kohlenstoff-Nanor ¨ohren Martti Kaempgen

166 Pages·2012·31.07 MB·German

Max-Planck-Institut fu¤rFestko¤rperforschung
Stuttgart
Eigenschaften und Anwendungen
von Netzwerken aus
Kohlenstoff-Nanoro¤ hren
Martti Kaempgen
Dissertation an der Universita¤t Stuttgart
2006

Eigenschaften und Anwendungen
von Netzwerken aus
Kohlenstoff-Nanoro¤hren
Von der Fakulta¤t Chemie der Universita¤t Stuttgart
zur Erlangung der Wu¤rde eines Doktors
der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung.
Vorgelegt von
Martti Kaempgen
aus Wiesbaden
Hauptberichter : Prof. Dr. J. Maier
Mitberichter : Prof. Dr. F. Giesselmann
Tag der Einreichung : 25. April 2006
Tag der mu¤ndlichen Pru¤fung : 27. Juli 2006
Max-Planck-Institut fu¤r Festko¤rperforschung
Stuttgart
2006

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielsetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Das Material: Kohlenstoff(cid:150)Nanoro¤hren 5
2.1 Morphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Struktur und Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Elektronische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Optische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 Ramanstreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Absorptionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Chemische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Die lokalen Bindungsverha¤ltnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2 Die elektronische Gesamtsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.3 Funktionalisierung von CNTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Die Proben: CNT(cid:150)Netzwerke 32
3.1 Elektrischer Transport allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Elektrischer Transport bei RT: Perkolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Temperaturabha¤ngiger elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 Variable Range Hopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2 Fluctuation Assisted Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Inhaltsverzeichnis
4 Herstellung der CNT(cid:150)Netzwerke 43
4.1 CNT Suspensionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Adsorption aus einer CNT(cid:150)Suspension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Aufspru¤hen einer CNT(cid:150)Suspension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 CVD(cid:150)Wachstum von CNT(cid:150)Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 Charakterisierung transparenter CNT(cid:150)Netzwerke 52
5.1 Optische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.1 Ramanstreung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.2 UV/VIS/IR(cid:150)Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.3 Transparenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2 Elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Dichteabha¤ngige Leitfa¤higkeit bei Raumtemperatur . . . . . . . . 66
5.2.2 Temperaturabha¤ngiger elektrischer Transport . . . . . . . . . . . 71
6 Anwendungen 75
6.1 Einfache CNT(cid:150)Netzwerke: Transparente Elektroden . . . . . . . . . . . 75
6.1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.2 Vergleich mit ITO bzgl. Transparenz und Leitfa¤higkeit . . . . . . 78
6.1.3 Potentielle Anwendungen als transparente Elektrode . . . . . . . 82
6.2 Gestapelte CNT(cid:150)Netzwerke: Transparente (cid:3)exible Transistoren . . . . . 84
6.2.1 Prinzip des Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.2 Herstellung eines transparenten (cid:3)exiblen CNT(cid:150)Transistors . . . . 87
6.2.3 Transfer(cid:150)Kennlinien des CNT(cid:150)Netzwerk Transistors . . . . . . . 90
6.3 Strukturierte CNT(cid:150)Netzwerke: Matrix Displays und Ultramikroelektroden 94
6.3.1 Strukturierung von CNT(cid:150)Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3.2 Mo¤gliche Anwendung in Matrix Displays . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.3 Anwendung als Ultramikroelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.3.2 Allgemeine Eigenschaften von Ultramikroelektroden . . 98
6.3.3.3 CNT(cid:150)Bu¤ndel als Ultramikroelektroden . . . . . . . . . . 99
6.3.3.4 Untersuchungen an CNT(cid:150)Ultramikroelektroden . . . . .101
6.4 Ober(cid:3)a¤chenfunktionalisierte CNT(cid:150)Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . .107
6.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
ii
Inhaltsverzeichnis
6.4.2 Ober(cid:3)a¤chenfunktionalisierung mit Polyanilin:
Transparenter und (cid:3)exibler pH Sensor . . . . . . . . . . . . . . .107
6.4.2.1 Einleitung und Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . .108
6.4.2.2 pH(cid:150)Abha¤ngigkeit der UV/VIS Spektren . . . . . . . . .111
6.4.2.3 Optischer pH(cid:150)Response . . . . . . . . . . . . . . . . .115
6.4.2.4 Potentiometrischer pH Response . . . . . . . . . . . .117
6.4.3 Ober(cid:3)a¤chenfunktionalisierung mit Platin:
Gasdiffusionselektroden fu¤r Brennstoffzellen . . . . . . . . . . .122
6.4.3.1 Grundlagen der Niedertemperaturbrennstoffzelle . . . .122
6.4.3.2 CNTs als Gasdiffusionselektroden . . . . . . . . . . . .130
7 Zusammenfassung 139
8 Summary 142
8.1 Basic Properties of CNT Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
8.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
8.1.2 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
8.1.3 Transparency and Conductivity at RT . . . . . . . . . . . . . . .143
8.1.4 Temperature Dependence of Conductivity . . . . . . . . . . . . .144
8.2 Applications of CNT Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
8.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144
8.2.2 Transparent and Conductive Coatings . . . . . . . . . . . . . . .145
8.2.3 Transparent and Flexible Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . .145
8.2.4 Ultra Micro Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146
8.2.5 Transparent and Flexible pH Sensor . . . . . . . . . . . . . . . .147
8.2.6 Gas Diffusion Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
8.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148
9 Danksagung 149
Literaturverzeichnis 152
iii

1 Einleitung
1.1 Allgemeines
Kohlenstoff ist, neben Wasserstoff, das Element, welches an den meisten Verbin-
dungen beteiligt ist und offenbart dabei eine Vielfalt an Verknu¤pfungsmo¤glichkeiten,
die sich in der ganzen organischen Chemie widerspiegelt. Aber auch der elemen-
tare Kohlenstoff zeigt mittlerweile einen kleinen Zoo an Strukturvarianten. Neben
den allgemein bekannten Allotropen Graphit und Diamant wurden in ju¤ngerer Zeit
weitere, dem Graphit verwandte nano-strukturierte Modi(cid:2)kationen wie die Fullere-
ne,1,2 Kohlenstoff-Nanoro¤hrchen,3 Nanoho¤rner4 (engl.: nanohorns) und Nanozwie-
beln5 (engl.: nanoonions) charakterisiert.
Abbildung 1.1: Zusammenstellung verschiedener Kohlenstoffmodi(cid:2)kationen aus:
(cid:148)The Most Beautiful Molecule(cid:148).6
Einleitung
Insbesondere die physikalischen Eigenschaften einzelner Kohlenstoff-Nanoro¤hrchen
(engl.: carbon nanotubes, CNTs), gepaart mit einer sehr anschaulichen Struktur,
haben schnell die Phantasie von Wissenschaftlern und Ingenieuren angeregt und
ein gro(cid:223)es wissenschaftliches und technisches Interesse geweckt.7(cid:150)10 Die Ideen rei-
chen dabei von 1-Elektronentransistoren und Rastersonden u¤ber kalte Elektronen-
quellen fu¤r Flachbildschirme bis hin zu Aktuatoren, Sensoren und nanoversta¤rkten
Verbundwerkstoffen. CNTs haben also prinzipiell ein breites Anwendungspotential.
Grundsa¤tzlichmussmanaberbeiallenEigenschaften undAnwendungen unterschei-
den, ob die CNTs jeweils als einzelne Moleku¤le vorliegen, in denen sich dann Quan-
teneffekte bemerkbar machen ko¤nnen oder aber in einem makroskopischen Ensem-
ble, wo sie dann entweder statistisch verteilt in einem CNT-Netzwerk oder eher ge-
ordnet in einem Array vorliegen ko¤nnen.
Abbildung 1.2: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme eines CNT(cid:150)Netzwerkes
2