aalto1 untyped-item.component.html
CNT synthesis and characterization utilizing bimetallic Fe-Cu catalysts for transparent conducting films
Loading...
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
SCI3028
Degree programme
Language
en
Pages
29
Series
Abstract
Since their discovery in 1991, carbon nanotubes have been the subject of extensive research due to their promising properties. CNTs are conductive, highly durable, and have good optical properties, making them ideal for potential applications in multiple fields. One of these applications is the manufacturing of transparent conducting films, which are used in touch screens, photovoltaics and OLEDs. Despite the recent advances in the field, significant challenges still remain related to the manufacturing consistency and scalability, and controlling the properties of individual nanotubes. This thesis focuses on the synthesis of CNTs with the floating catalyst chemical vapor deposition method, with the aim of creating thin films with high transmittance, and low sheet resistance.
One of the main components in FCCVD synthesis of CNTs is the catalyst, which acts as a seed for the growth of a nanotube. Along with an often used iron catalyst, a bimetallic iron-copper catalyst will be used in the experiments. This will be achieved by adding copper acetylacetonate into the solution containing ferrocene, ethanol and thiophene, which is then injected to the reactor.
The synthesized SWCNT TCFs were characterized with numerous methods: UV-Vis-NIR and Raman spectroscopy, transmission electron microscopy and resistance measurements. It was discovered that the bimetallic catalyst had a noticeable impact on the characteristics of the thin film and CNTs: optoelectronic performance was improved slightly over the base ferrocene solution. In addition, the CNT diameter and metallicity were observed to change as copper was added as a catalyst. Overall, a sheet resistance at 90% transmittance of 80 ohms/square was achieved after gold chloride doping.
Hiilinanoputket ovat hiilirenkaista koostuvia nanorakenteita, joita on viimeisten vuosien aikana tutkittu paljon niiden lupaavien ominaisuuksien, kuten sähkön- ja lämmönjohtavuuden sekä kestävyyden ansiosta. Eräs mahdollisista sovelluksista on läpikuultavat johdekalvot, joita käytetään esimerkiksi kosketusnäytöissä ja aurinkopaneeleissa. Vaikka hiilinanoputkien valmistuksessa on otettu suuria harppauksia, haasteita liittyy yhä esimerkiksi valmistuksen toistettavuuteen ja skaalaukseen, sekä yksittäisten hiilinanoputkien ominaisuuksien kontrolloimiseen. Valmistusmenetelmiä on useita, mutta etenkin leijuvan katalyytin kaasufaasin kemiallista pinnoitusta (engl. floating catalyst chemical vapor deposition) pidetään lupaavana menetelmänä hiilinanoputkien teolliselle valmistukselle.
Leijuvan katalyytin kaasufaasin synteesissä nestemäinen liuos, joka sisältää hiiliyhdisteen, katalyytin ja kasvunedistäjän, ruiskutetaan pystysuuntaiseen reaktoriin. Synteesin tärkeä osa on katalyytti, jonka päälle nanoputki muodostuu reaktorissa. Katalyytti on siirtymämetalli, kuten rauta, nikkeli tai koboltti, joilla on optimaalinen määrä vapaita d-orbitaaleja, mikä mahdollistaa hiilen diffuusion ja siten nanoputken kasvun. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin kaksimetallisen raudasta ja kuparista koostuvan katalyytin vaikutusta hiilinanoputkien ominaisuuksiin, käyttäen hiililähteenä etanolia ja kasvunedistäjänä tiofeenia. Kaksimetallisen katalyytin on arvioitu mahdollisesti vaikuttavan myönteisesti hiilinanoputkien johtavuuteen, mikä on tärkeää niistä tehtyjen johdekalvojen resistanssin minimointiin.
Nanoputkista valmistettuja johdekalvoja karakterisoitiin ultravioletti-näkyvä-lähi-infrapuna- ja Raman-spektroskopialla, läpäisyelektronimikroskoopilla ja pintaresistanssimittarilla. Tutkimuksessa havaittiin kaksimetallisen katalyytin vaikuttavan nanoputkien ominaisuuksiin merkittävästi, etenkin nanoputkien halkaisijaan ja synteesin tuottoon. Kuparia sisältävissä näytteissä havaittiin myös hieman enemmän johtavia nanoputkia verrattuna vain rautaa sisältäneisiin näytteisiin. Johdekalvon pintaresistanssi oli pienimmillään, kun kuparin ja raudan suhde oli 0,09, jolloin alhaisin mitattu resistanssi oli kultakloridikäsittelyn jälkeen 80 ohmia/neliö valon läpäisysuhteen ollessa 90 prosenttia 550 nanometrin aallonpituudella.