Thermophoretic and diffusive gas-phase transport of single-walled carbon nanotubes and their applications in thin film electronics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-02-13
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
107 + app. 85
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 27/2018
Abstract
Thin films of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) show great promise as a building block for transparent conducting films (TCFs), used in display applications, touch sensors and photovoltaic devices, and thin film transistors (TFTs). In contrast to currently used materials, SWNT thin films also maintain their properties under flexing and stretching. Previously, both TFTs and TCFs with performances comparable or superior to current industrial components have been realized using the floating catalyst CVD (FCCVD) method. In the FCCVD method, SWNT growth occurs on catalyst nanoparticles in the gas phase, producing an SWNT aerosol that can be deposited into thin films without dispersion. However, a clearer understanding of the effects of the synthesis conditions on the thin film properties and the transport of SWNT aerosols are still needed to achieve the full potential of the method and the thin films produced using it. This dissertation focuses in particular on the sampling of SWNTs by thermophoresis, or transport of aerosols by a temperature gradient, and the mechanisms of gas-phase agglomeration, or bundling, of SWNTs during and after FCCVD growth. Thermophoretic deposition avoids previously observed shortcomings related to electrostatic deposition of SWNTs, and can provide unbiased size distributions of the SWNTs, aiding significantly in process development. The bundling of SWNTs in the gas phase and its effects on the TCF performance were studied in unprecedented detail, resulting in a semi-empirical model for TCF performance as a function of the SWNT dimensions and bundle size. Similarly, limiting the catalyst precursor feeding rate was found to decrease bundling in the synthesized SWNTs and result in a clear improvement of the TCF performance. By monitoring the FCCVD process using aerosol measurements, SWNT films with predetermined densities were collected for the fabrication of TFTs with high uniformity, and a stable process concentration was achieved by adjusting catalyst feeding based on the monitoring. As part of this work two thermophoretic precipitators, one used for mechanistic studies and the fabrication of centimetre-scale arrays of TFTs, and a scaled-up unit capable of deposition on ca. 50 mm substrates, were built and tested. Thermophoretic transport of SWNTs was studied experimentally for the first time, and the thermophoretic terminal velocity was found to differ from the free molecular regime model typically used. SWNT TCFs and TFTs fabricated by thermophoretic deposition were showed equivalent or superior performance compared to previously reported devices fabricated by other sampling methods. In addition to thin film applications, the processes and methods developed can be applied in e.g. the basic research of interfaces between SWNTs and other low-dimensional materials and in spectroscopic characterization using methods previously difficult to use with FCCVD SWNTs.

Yksiseinäisistä hiilen nanoputkista (SWNT) koostuvat ohutkalvot ovat lupaava materiaali esimerkiksi kosketusnäytöissä ja aurinkokennoissa käytettyjen läpinäkyvien johdekalvojen (TCF) ja ohutkalvotransistorien (TFT) valmistukseen. Toisin kuin nykyisin käytetyt materiaalit, SWNT- ohutkalvot säilyttävät ominaisuutensa lisäksi myös taivutettuna ja venytettynä. Aiemmin suorituskyvyltään nykyisin teollisuudessa käytettyjä komponentteja vastaavia TCF:iä ja TFT:eitä on saatu valmistettua käyttäen leijukatalyytti-CVD-menetelmällä (FCCVD) kasvatettuja nanoputkia. FCCVD-kasvatus tapahtuu leijuvien katalyyttinanohiukkasten päällä ja syntyvä nanoputkiaerosoli voidaan kerätä ohutkalvoiksi ilman dispersiovaiheita. Menetelmän täyden potentiaalin saavuttamiseksi tarvitaan kuitenkin selvempää ymmärrystä synteesiolosuhteiden vaikutuksesta ohutkalvojen suorituskykyyn ja nanoputkiaerosolin kuljetuksesta. Tässä väitöskirjassa on tutkittu erityisesti nanoputkien keräämistä termoforeesin eli lämpötilaeron aiheuttaman aerosolikuljetuksen avulla sekä agglomeraatiota eli kimppuuntumista FCCVD- kasvatuksen aikana ja jälkeen. Termoforeettinen keräys välttää aiemmin havaittuja nanoputkien sähköstaattiseen keräyksen ongelmia ja sen avulla voidaan mitata helposti nanoputkien kokojakaumia, mistä on merkittävä apu synteesiprosessien kehityksessä. Kimppuuntumista kaasufaasissa ja sen vaikutuksia TCF:ien suorituskykyyn tutkittiin aiempaa tarkemmin ja tulosten perusteella luotiin semiempiirinen malli TCF:n suorituskyvyn ennustamiseen nanoputkien mittojen ja kimppuuntumisasteen perusteella. Kimppuuntumisen havaittiin vähenevän, kun katalyyttilähteen määrää FCCVD-prosessissa rajoitettiin ja tämän havaittiin johtavan selvään parannukseen TCF:ien suorituskyvyssä. Prosessin monitorointia aerosolimittalaitteiden avulla käytettiin määritellyn tiheyksisten ohutkalvojen keräykseen tasalaatuisten TFT:iden valmistusta varten ja prosessin konsentraation vakauttamiseen katalyyttilähteen syöttöä säätelemällä. Osana työtä rakennettiin kaksi termoforeettista keräintä, joista toista käytettiin kuljetusmekanismien tutkimiseen ja TFT:iden valmistukseen ja toista, suurempaa yksikköä, nanoputkien depositioon 50 mm:n kokoisille alustoille. Nanoputkien termoforeettista kuljetusta tutkittiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa ja niiden termoforeettisen rajanopeuden havaittiin poikkeavan tavallisesti aerosolitekniikassa käytetystä mallista. Termoforeettisesti valmistetut TCF:t ja TFT:t saavuttivat joko vastaavan tai paremman suorituskyvyn kuin aiemmin julkaistut muilla keruumenetelmillä valmistetut laitteet. Ohutkalvosovellusten lisäksi kehitettyjä prosesseja ja metodeita voidaan käyttää esimerkiksi nanoputkien ja muiden materiaalien rajapintojen perustutkimuksessa ja FCCVD-kasvatettujen nanoputkien mittaamisessa eräillä spektroskooppisilla menetelmillä, joita ei ole aiemmin voitu soveltaa.
Description
Supervising professor
Kauppinen, Esko I., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kauppinen, Esko I., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
single-walled carbon nanotubes, floating catalyst chemical vapor deposition, aerosol technology, aerosol deposition, agglomeration, thermophoresis, transparent conducting films, thin film transistors, yksiseinäiset hiilen nanoputket, leijukatalyytti-CVD-menetelmä, aerosolitekniikka, aerosolien depositio, agglomeraatio, termoforeesi, läpinäkyvät johdekalvot, ohutkalvotransistorit
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Mustonen, Kimmo; Laiho, Patrik; Kaskela, Antti; Susi, Toma; Nasibulin, Albert G.; Kauppinen, Esko I. Uncovering the ultimate performance of single-walled carbon nanotube films as transparent conductors. Applied Physics Letters, 2015, volume 107, issue 14, article number 143113.
    DOI: 10.1063/1.4932942 View at publisher
  • [Publication 2]: Kaskela, Antti; Mustonen, Kimmo; Laiho, Patrik; Ohno, Yutaka; Kauppinen, Esko I. Toward the limits of uniformity of mixed metallicity SWCNT TFT arrays with spark-synthesized and surface density controlled nanotube networks. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, volume 7, issue 51, pages 28134-28141.
    DOI: 10.1021/acsami.5b10439 View at publisher
  • [Publication 3]: Kaskela, Antti; Laiho, Patrik; Fukaya, Norihiro; Mustonen, Kimmo; Susi, Toma; Jiang, Hua; Houbenov, Nikolay; Ohno, Yutaka; Kauppinen, Esko I. Highly individual SWCNTs for high performance thin film electronics. Carbon, 2016, volume 103, pages 228-234.
    DOI: 10.1016/j.carbon.2016.02.099 View at publisher
  • [Publication 4]: Laiho, Patrik; Mustonen, Kimmo; Ohno, Yutaka, Maruyama, Shigeo; Kauppinen, Esko I. Dry and direct deposition of aerosol-synthesized single-walled carbon nanotubes by thermophoresis. American Chemical Society. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, volume 9, issue 24, pages 20738-20747.
    DOI: 10.1021/acsami.7b03151 View at publisher
  • [Publication 5]: Laiho, Patrik; Rafiee, Mahdi; Liao, Yongping; Hussain, Aqeel; Ding, Er-Xiong; Kauppinen, Esko I. Wafer-scale thermophoretic dry deposition of single-walled carbon nanotube thin films. Accepted for publication in the journal ACS Omega
Citation