University of Oulu

Synthesis and applications of macroscopic well-aligned multi-walled carbon nanotube films

Saved in:
Author: Halonen, Niina1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526202105
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-10-29
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in OP-sali (Auditorium L10), Linnanmaa, on 8 November 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Krisztián Kordás
Reviewer: Professor Ari Ivaska
Associate Professor Saikat Talapatra
Description:

Abstract

The main objectives of this thesis are to synthesize macroscopic well-aligned multi-walled carbon nanotube films and, based on their electrical conductivity, porosity and structural uniformity, highlight potential applications for further development.

In this thesis, catalytic chemical vapour deposition from ferrocene-xylene precursors is optimized to grow high quality films of long, aligned multi-walled carbon nanotubes on lithographically patterned templates in high (~800ºC) temperatures. The impacts of reaction time, temperature and precursor concentration on MWCNT film quality (film thickness, purity, density and nanotube diameter distribution) are studied. Because of the excellent control of growth selectivity and film thickness inherent to the method, several interesting applications, including solar cell and capacitor electrodes, contact brushes, coolers, particulate filters and catalyst membranes, have been developed for nanotube films in collaboration between Finnish and international research groups over the past few years. In this thesis, advanced capacitor electrodes with improved charge storage and efficient particulate filters are discussed in closer detail.

As the high temperatures used for growing high quality carbon nanotubes often cause complications in cases where nanotubes need to be directly integrated with other materials, experiments were also conducted with the aim of making the growth temperature as low as possible. After testing several catalyst and precursor combinations, cobalt nanoparticles deposited on silica surfaces were found to form carbon nanotubes from vaporized cyclopentene oxide precursor already at 470°C.

The results show that catalytic chemical vapour deposition is a feasible and versatile method that can be combined with photolithography to produce multi-walled carbon nanotube films with desired footprint area and thickness on various substrates. The demonstrated new applications and technical solutions are expected to contribute to further development leading to competitive practical devices based on carbon nanotubes.

see all

Tiivistelmä

Tämän väitöstyön päätavoitteina ovat makroskooppisten, yhdensuuntaisista moniseinämäisistä hiilinanoputkista koostuvien kalvojen valmistaminen ja sovellutusten esittäminen perustuen kalvojen sähkönjohtavuuteen, huokoisuuten ja rakenteelliseen yhdenmukaisuuteen.

Katalyyttis-kemiallinen höyryfaasikasvatusmenetelmä on optimoitu korkealaatuisten, yhdensuuntaisista, pitkistä moniseinämäisistä hiilinanoputkista koostuvien kalvojen tuottamiseen korkeissa lämpötiloissa (~800ºC) fotolitografialla kuvioiduille kasvualustoille käyttäen ferroseeni/ksyleeni-lähtöainetta. Reaktioajan, lämpötilan ja lähtöainepitoisuuden vaikutusta nanoputkikalvon laatuun on tutkittu tarkastelemalla kalvon paksuutta, puhtautta, tiheyttä ja nanoputkien läpimittajakaumaa. Erinomaisen kasvuselektiivisyyden ja kalvon paksuuden kontrolloimisen ansiosta nanoputkikalvoja voidaan räätälöidä useisiin mielenkiintoisiin sovellutuksiin (esim. aurinkokennot ja kondensaattorin elektrodit, hiiliharjat, jäähdyttimet, partikkelisuodattimet ja katalyyttikalvot), joita olemme kehittäneet viime vuosina yhdessä suomalaisten ja kansainvälisten tutkimusryhmien kanssa. Tässä väitöstyössä on tarkasteltu lähemmin uudentyyppisiä kondensaattorielektrodeja, joilla on parantunut sähkövarauksen varastointikyky, sekä tehokkaita partikkelisuodattimia.

Hiilinanoputkien kasvattaminen korkeissa lämpötiloissa aiheuttaa usein ongelmia integroitaessa nanoputkia toisiin materiaaleihin. Tästä johtuen tutkimuksessa pyrittiin saamaan nanoputkien kasvatuslämpötila mahdollisimman alhaiseksi testaamalla useita lähtöaine-katalyytti-kombinaatioita, joista koboltti-nanopartikkelit piidioksidin päällä ja syklopenteenioksidi lähtöaineena muodostivat hiilinanoputkia jo 470°C:ssa.

Tulosten perusteella katalyyttis-kemiallinen höyryfaasikasvatusmenetelmä yhdistettynä fotolitografiaan on hyvin monipuolinen tapa tuottaa moniseinämäisiä hiilinanoputkia halutulla kuviolla ja kalvonpaksuudella erilaisille substraateille. Tässä väitöstyössä demonstroitujen uusien sovellutusten ja teknisten ratkaisujen odotetaan johtavan uusiin, hiilinanoputkiin perustuviin kilpailukykyisiin käytännön laitteisiin.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0210-5
ISBN Print: 978-952-62-0209-9
Issue: 467
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2013. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.