Abstrakti
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.
Julkaisun otsikon käännös | Läpinäkyvät, johtavat ja joustavat yksiseinäiset hiilinanoputkikalvot |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-60-5458-2 |
Sähköinen ISBN | 978-952-60-5459-9 |
Tila | Julkaistu - 2013 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- yksiseinäinen hiilinanoputki
- liitosvastus
- läpinäkyvä johdekalvo
- verkko
- sovellukset