Metalloxid-Kohlenstoffnanoröhren-Komposite für elektrische Bauteile

Abstract

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden Kohlenstoffnanoröhren mit den Metalloxiden Zinkoxid und Titandioxid kombiniert und in verschiedenen elektrischen Bauteilen getestet. Hierfür wurden die CNTs einerseits mit ZnO-Nanokristallen gleichmäßig belegt, andererseits mit einem nanometerdicken TiO2-Film beschichtet. So konnten zwei morphologisch verschiedene Beschichtungen erreicht werden, die mittels nasschemischer Synthesen durchgeführt wurden. Dabei wurde vollständig auf die kovalente Funktionalisierung der CNTs verzichtet, wodurch ihre elektronische Struktur und damit die hervorragenden Transporteigenschaften erhalten blieben. Die ZnO-CNT-Komposite wurden insbesondere auf die Bindung zwischen den Nanokristallen und der graphitischen Oberfläche der CNTs untersucht. Unter der Zuhilfenahme von Raman-Spektroskopie, Transmissonselektronenmikroskopie und Computersimulationen konnte eine elektrostatische Bindung festgestellt werden. Außerdem wurde der Einfluss der CNTs auf den ZnO-NP-Syntheseverlauf anhand der Mechanismen der orientierten Anlagerung und der Ostwald-Reifung beurteilt. Dabei wurde festgestellt, dass CNTs in den Mechanismus der orientierten Anlagerung eingreifen, jedoch keine Auswirkung auf die Ostwald-Reifung zeigen. Der Einsatz eines mit ZnO-Nanokristallen beschichteten DWCNT als Feldeffekttransistorkanal konnte erfolgreich gezeigt werden, wobei eine Empfindlichkeit gegenüber Luftsauerstoff sowie Photosensibilität des Transistors anhand Transfercharakteristika beobachtet wurde. Die Kontrolltransistoren mit unbehandelten DWCNTs zeigten kein vergleichbares Verhalten. Neben den kommerziellen CNTs, die zur Beschichtung in Suspension eingesetzt wurden, konnten CNTs in einer dreidimensionalen Anordnung auf Indiumzinnoxid-Substraten in die Beschichtungssynthesen integriert werden. Die dreidimensionale Anordnung wurde mittels katalytisch-chemischer Gasphasenabscheidung in zwei verschiedenen Reaktoren erzeugt, wobei es sich um neuartige stationäre Reaktoren handelt, die im Laufe dieser Arbeit entwickelt wurden. Das CNT-Wachstum konnte auf transparenten ITO-Substraten unter Einsatz des Eisenkatalysators demonstriert werden. Durch unterschiedliche Syntheseführung wurden CNTs entweder mit einer Länge von etwa 200nm oder von 3-6 µm erzeugt. Hierbei ist besonders erwähnenswert, dass die CNT-Synthesen auf ITO-Substraten wegen ihrer schlechten chemischen Stabilität und Hitzebeständigkeit nicht trivial sind. Die elektrokatalytische Aktivität der CNT-ITO-Komposit-Elektroden wurde anhand der Redoxreaktion des Fe[(CN)6]4-/Fe[(CN)6]3--Paares getestet. Cyclovoltammetrische Untersuchungen zeigten eine Erhöhung der Aktivität um das Zweifache im Vergleich zu reinen ITO-Elektroden. Abschließend wurde die Verwendbarkeit der dreidimensionalen Metalloxid-CNT-ITOElektroden in photovoltaischen Elementen untersucht. Das mit ZnO beschichtete CNT-ITO-Komposit wurde in einer typischen Polymersolarzelle auf P3HT- und PCBM-Basis integriert, dabei zeigte die Solarzelle unter Beleuchtung durch einen Solarsimulator eine geringe Effizienz von 0.07 %. Allerdings befindet sich der Zellenaufbau zur Zeit noch in der Entwicklung, daher kann von einer Steigerung der Effizienz durch Optimierung des Herstellungsverfahrens ausgegangen werden. Die Beschichtung der Kohlenstoffnanoröhren mit nanometerdicken Metalloxidfilmen mittels kostengünstiger nasschemischer Verfahren konnte erfolgreich durchgeführt und deren Potential für den Einsatz in elektrischen Bauteilen anhand verschiedener Messanordnungen demonstriert werden. Damit liefert die durchgeführte Arbeit Beispiele für anwendungsbezogenes Materialdesign auf der Nanometerskala.

In this thesis carbon nanotubes were combined with metal oxides such as zinc oxide and titanium dioxide. They were tested in several electrical devices. Therefore, CNTs were coated with ZnO nanoparticles as well as a few nanometer thin TiO2 film, representing two very different morphologies. To achieve a high degree of coverage wet chemisty methods were applied to pristine CNTs. CNTs were not covalently functionalized preserving their electronic structure, which ensures the outstanding transport properties of the CNTs. ZnO-CNT composites were investigated particulary in regard to the nature of binding between nanoparticles and the graphitic surface of CNTs. Raman spectroscopy and transmission electron microscopy along with computer simulations indicate electrostatic interactions being the reason for nanoparticle attachment to CNTs. Furthermore, the influence of CNTs on ZnO-NP synthesis was studied in oriented attachment and Ostwald ripening regimes. It was found that CNTs can efficiently prevent the formation of elongated structures (viz. oriented attachment). In contrast, they do not show any impact on the Ostwald ripening. By using a ZnO-DWCNT composite as a field-effect transistor channel, oxygen and light sensitivity of the formed device was ascertained by transfer characteristics. Comparable behaviour of blank devices with untreated DWCNTs was not observed. In addition to commercial CNTs, which were used in suspensions, three dimensional CNT arrays were integrated into the coating procedure. The CNT arrays were produced via chemical vapor deposition using two different ovens. Both ovens represent novel steady-state setups which were developed and built up in the course of this thesis. CNT growth was performed on transparent ITO substrates using iron as the catalyst. Changes in the synthetic procedure yielded nanotubes with an average length of 200nm or with a length of 3-6 µm. It is worth to emphasize that CNT growth on ITO substrates is not trivial due to its chemical and thermal instability. Electrocatalytical activity of the CNT-ITO electrode was monitored using the Fe[(CN)6]4-/Fe[(CN)6]3- redox pair. Cyclic voltammetry analysis showed doubled increase in activity compared to a simple ITO electrode. Finally, suitability of metal oxide CNT-ITO electrodes for the use in photovoltaic devices was studied. ZnO coated CNT-ITO substrate was integrated into a P3HT/PCBM-based solar cell, which showed rather low efficiency of 0.07 %. Nevertheless, the efficiency is expected to be improved in future by optimizing the manufacturing technique. The coating of CNTs with nanometer thick metal oxide films was performed successfully using a low-cost wet chemical procedures. The following integration of composite materials into electrical devices demonstrated several examples for application-oriented material design on the nanometer scale.