Transparent, conductive and flexible single-walled carbon nanotube films
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-12-10
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 197/2013
Abstract
Single-walled carbon nanotube (SWCNT) networks have a large application potential for future electronics as transparent conductive films. SWCNT networks (SWCNT-N) offer improved flexibility when compared to the current industry standard transparent conductive films (TCF), an example of which is indium tin oxide (ITO). SWCNTs can be synthesised from abundant raw materials, whereas indium supply is limited and has been a target of aggressive trade policies, thus increasing supply risks and price volatility. In order to make the SWCNT-Ns suitable for industrial applications, their performance must be made competitive with ITO and other TCF materials, whilst their manufacturing costs have to be minimised. Understanding the performance limiting factors is important when it comes to the development of high performance SWCNT networks. The results presented here show that the bundle length has a major impact on the electrical performance of SWCNT networks. Optimisation of SWCNT growth conditions in aerosol-CVD reactors used for SWCNT synthesis led to an increase in SWCNT bundle length from 1.3 μm to 9.4 μm. Bundle diameter distributions were found to overlap, with mean bundle diameter measuring approximately 10 nm, and mean SWCNT diameters ranging from 1.4 to 1.7 nm. The increased bundle length led to a reduction in the number of the highly resistive bundle-bundle contacts and to improved performance. When the SWCNT-TCFs were chemically doped by nitric acid, sheet resistance was reduced down to 84 Ω/sq. at 90% transparency, thus making the SWCNT TCFs competitive with ITO on polymer films. The intertube and interbundle contact resistances together with the effect of nitric acid treatment were studied by using conductive atomic force microscopy. The contact resistance values of pristine junctions were within the range of 29 kΩ - 532 kΩ for contacts between individual tubes and small bundles with less than 5 nm diameter. The contact resistance decreased with increasing tube or bundle diameter. Contact morphology had a major impact on the contact resistance values as X- contacts exhibited higher mean contact resistance of 180 kΩ, while the Y-contacts had mean contact resistance of 60 kΩ. When the contacts were exposed to strong nitric acid, the mean contact resistance was reduced by a factor of 3, although the length resistivity remained largely unchanged at around 8 kΩ/μm. The results indicate that the contact morphology and the diameter of contacting SWCNTs and bundles had a significant impact on the electrical transport across the contacts and that the nitric acid treatment mainly affected the network performance by modulating the contacts and reducing their contact resistances. Furthermore, a novel room-temperature press transfer technique was developed. This dry, ambient temperature deposition method allowed for the rapid and direct deposition of variable thickness SWCNT networks to a wide range of substrates, from flexible polymers to glass, silicon and metals. The developed process eliminates harsh and detrimental purification and dispersion steps, thus maintaining the high intrinsic performance of SWCNTs. Fabrication of novel freestanding SWCNT networks was also demonstrated. The freestanding SWCNT networks can be used for a wide range of novel applications. The aerosol-CVD synthesized SWCNTs were also demonstrated as flexible counter-electrodes in dye-sensitised solar cells. The SWCNT-network was combined with electrochemically deposited PEDOT, reaching comparable performance with standard platinum catalyst with energy conversion efficiencies of up to 4%. Fabrication and properties of hybrid materials consisting of SWCNT networks coated with amorphous carbon deposited by low energy plasma were studied. The carbon coating improved the mechanical durability of SWCNT films under nanoindentation and scratching.Yksiseinämäisillä hiilinanoputkilla on merkittävä sovelluspotentiaali tulevaisuuden elektroniikassa läpinäkyvänä johdemateriaalina. Nanoputkiverkot ovat merkittävästi tällä hetkellä käytössä olevia läpinäkyviä johdemateriaaleja, kuten indium-tinaoksidia, taipuisampia. Ne voidaan valmistaa laajasti saatavilla olevista raaka-aineista, kun taas hyödynnetyt indium-resurssit ovat voimakkaasti keskittyneet ja indium on ollut aggressiivisten vientirajoitusten kohteena, mikä puolestaan on lisännyt saatavuusriskejä ja aiheuttanut hinnanvaihteluita. Jotta hiilinanoputkiverkkoihin pohjautuvat materiaalit voivat kilpailla teollisissa sovelluksissa indium-tina-oksidin kanssa, niiden suorituskykyä on parannettava nykyisten teollisten materiaalien kanssa kilpailukykyiselle tasolle. Myös hiiliputkien valmistus ja prosessointimenetelmiä on kehitettävä, jotta madaltuvat tuotantokustannukset parantaisivat valmistuksen kannattavuutta. Hiilinanoputkiverkkojen suorituskyvyn parantamiseksi on tärkeää ymmärtää paremmin tärkeimpiä suorituskykyä rajoittavia tekijöitä. Tämän väitöskirjan tulokset osoittavat, että hiilinanoputkien muodostamien kimppujen pituus on erittäin merkittävä verkkojen suorituskykyyn vaikuttava tekijä. Optimoimalla aerosolipohjaisen synteesireaktorin reaktio-olosuhteet, onnistuttiin hiilinanoputkien kimppujen pituutta kasvattamaan 1.3 μm:stä 9.4 μm:iin. Kimppujen halkaisijajakaumat olivat eri kasvatusolosuhteissa päällekkäisiä, keskihalkaisijan ollessa noin 10 nm. Yksittäisten hiilinanoputkien halkaisijat olivat tyypillisesti 1.4 to 1.7 nm välillä. Pidempi kimppupituus vähentää korkean vastuksen omaavien kimppu-kimppu-liitosten lukumäärää ja pienentää näin verkon kokonaisvastusta. Kun pisimmät verkot altistettiin typpihappokäsitettelylle, onnistuttiin verkon pintavastus pienentämään tasolle 84 Ω/neliö 90 % valonläpäisyllä, tehden verkoista suorituskyvyltään kilpailukykyisiä polymeerikalvoille kasvatetun indium-tina- oksidipinnoitteen kanssa. Putkien ja kimppujen välisiä liitoksia sekä typpihappokäsittelyn vaikutusta tutkittiin käyttäen johtavaa atomivoimamikroskopiaa. Käsittelemättömien liitoksien liitosvastukset vaihtelivat 29 kΩ ja 532 kΩ välillä, pääosin yksittäisistä nanoputkista ja halkaisijaltaan pienistä, alle 5 nm kimpuista, koostuvalle näytepopulaatiolle. Liitosvastuksen havaittiin pienenevän kasvavan putki- ja kimppuhalkaisijan mukana. Liitoksen geometrialla havaittiin olevan merkittävä vaikutus liitosvastukseen ja X-tyyppiset liitokset omasivat keskimäärin 180 kΩ liitosvastuksen, kun taas Y-tyyppisten liitoksen keskimääräinen vastus oli 60 kΩ. Kun X-tyyppiset liitokset käsiteltiin voimakkaalla typpihapolla, liitosvastus pieneni tekijällä 3x, kun taas pituusvastus pysyi lähes vakiona noin 8 kΩ/μm tasolla. Tulosten mukaan typpihappokäsittely parantaa verkon suorituskykyä lähinnä pienentämällä liitosvastuksia. Lisäksi tässä väitöskirjassa tutkittiin useita hiilinanoputkiverkkojen sovellusalueita ja niiden toteuttamisessa tarvittavia tekniikoita. Osana työtä kehitettiin uusi, huoneenlämpötilassa toimiva valmistusmenetelmä hiiliputkiverkkojen siirtämiseen keräyssuodattimelta sovelluksissa tarvittaville pohjamateriaaleille. Menetelmän osoitettiin mahdollistavan eri paksuuksien hiilinanoputkiverkkojen nopea ja suoraviivainen siirto laajalle joukolle pohjamateriaaleja, mukaan lukien joustavat polymeerit, lasi, pii sekä metallikalvot. Menetelmän merkittävä etu on, että se poistaa tarpeen haitallisille ja aikaa vieville puhdistus- ja dispersointikäsittelyille, joita tarvitaan muiden hiilinanoputkien keräys- ja prosessointimenetelmien kanssa ja mahdollistaa siten hiiliputkien korkean ominaisjohtavuuden hyödyntämisen. Osana väitöskirjaa valmistettiin myös uudenlaisia itsekantavia nanoputkiverkkoja. Hiilinanoputkiverkkoja käytettiin lisäksi myös joustavina väriaineherkistetyn aurinkokennon vastaelektrodimateriaalina. Yhdistämällä hiilinanoputkiverkko elektropolymerisoidun PEDOT-polymeerin kanssa saavutettiin standardia platinakatalyyttiä vastaava suorituskyky, parhaimmillaan 4 % energiakonversiotehokkuudella. Viimeisenä aihealueena tutkittiin hiilinanoputkien ja amorfisten plasmakasvatuksella valmistettujen hiilipinnoitteiden yhdistämistä hybridirakenteeksi. Hiilipinnoitteen käyttö paransi merkittävästi hiilinanoputkiverkon mekaanista kestävyyttä, hybridimateriaalin säilyttäessä sähköisen johtavuuden sekä optisen läpinäkyvyytensä.Description
Supervising professor
Kauppinen, Esko I., Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Nasibulin, Albert G., Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
single-walled carbon nanotube, contact resistance, transparent conductive film, network, applications, yksiseinäinen hiilinanoputki, liitosvastus, läpinäkyvä johdekalvo, verkko, sovellukset
Other note
Parts
- [Publication 1]: Kaskela, A., Nasibulin, A.G., Zavodchikova, M., Aitchison, B., Papadimitratos, A., Tian, Y., Zhu, Z., Jiang, H., Brown, D.P., Zakhidov, A., and Kauppinen, E.I., Aerosol synthesized SWCNT networks with tuneable conductivity and transparency by dry transfer technique, Nano Letters 10, 4349-4355 (2010).
- [Publication 2]: Nasibulin, A. G., Kaskela, A., Mustonen, K., Anisimov, A. S., Ruiz, V., Kivistö, S., Rackauskas, S., Timmermans, M. Y., Pudas, M., Aitchison, B., Kauppinen, M., Brown, D. P., Okhotnikov, O. G., and Kauppinen, E. I., Multifunctional freestanding single-walled carbon nanotube films, ACS Nano 5, 3214-3221 (2011).
- [Publication 3]: Znidarsic, A., Kaskela, A., Laiho, P., Gaberscek, M., Ohno, Y., Nasibulin, A. G., Kauppinen, E. I., and Hassanien, A., Spatially Resolved Transport Properties of Pristine and Doped Single-Walled Carbon Nanotube Networks,” Journal of Physical Chemistry C 117, 13324–13330 (2013).
- [Publication 4]: Aitola, K., Borghei, M., Kaskela, A., Kemppainen, E., Nasibulin, A.G., Kauppinen, E.I., Lund, P.D., Ruiz, V., and Halme, J., Flexible metal-free counter electrode for dye solar cells based on conductive polymer and carbon nanotubes, Journal of Electroanalytical Chemistry 683, 70-74 (2012).
- [Publication 5]: Kaskela, A., Koskinen J., Jiang, H., Tian, Y., Liu X., Susi, T., Kaukonen, M., Nasibulin, A.G., and Kauppinen E.I., Improvement of the mechanical properties of single-walled carbon nanotube networks by carbon plasma coatings, Carbon 53, 50–56 (2013).
