Synthese, zweidimensionale Anordnung und Feldemissionseigenschaften von Kohlenstoffröhren

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Untersuchungen zu Anordnung und Morphologie von Kohlenstoffröhren, die durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen über Katalysatorpartikeln, oder Verwendung von Einstufenvorläufern dargestellt worden sind Durch die Verwendung von mesoporösem, elektrochemisch hergestelltem Al2O3 (AnodiscÒ 25) mit einem Porendurchmesser von 200 nm konnte eine parallele Anordnung von Kohlenstoffröhren in einem CVD-Prozeß über große Bereiche erreicht werden. Zur Synthese von Kohlenstoffröhren wurden einerseits Propen oder Ethin über einem Eisenkatalysator pyrolysiert, andererseits wurden metallorganische Verbindungen des Metalllocentyps (Ferrocen, Chromocen, Cobaltocen, Nickelocen), teilweise unter Zusatz des polykondensierten Aromaten Decacyclen, oder solche, die Metallocenfragmente als Bausteine enthalten, als Einstufenvorläufer in der Synthese verwendet. Die morphologische Charakterisierung erfolgte durch SEM, TEM, EFTEM und AFM. Diese Untersuchungen zeigten, daß sich bei beiden Synthesestrategien auf den inneren Porenwänden des Al2O3-Templats eine Pyrokohlenstoffschicht in Röhrenform abscheidet. In mechanischen Belastungsexperimenten konnte mittels eines Nanoindenters gezeigt werden, daß die Pyrokohlenstoffröhre ein viskoelastisches Verhalten bis zu Kraftbelastungen von 230 µN zeigt. Bei der Darstellung durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen über einem Katalysator konnte durch TEM- und AFM-Untersuchungen gezeigt werden, daß diese Pyrokohlenstoffröhre vollständig mit kleinen, überwiegend helikalen Kohlenstoffröhren (Durchmesser ~20 nm), die sich an den Eisenpartikeln gebildet haben, gefüllt ist. Bei den Kohlenstoffröhren, die durch die Pyrolyse von Metallocenen dargestellt wurden, handelt es sich um metallpartikeldotierte Pyrokohlenstoffröhren mit einem Durchmesser von 200 nm, was durch TEM- und AFM-Untersuchungen nachgewiesen werden konnte. Es zeigte sich eine Abhängigkeit des Dotierungsgrads vom verwendeten Einstufenvorläufer. Aus EFTEM-Untersuchungen ging hervor, daß es sich bei den Metallpartikeln um oxidische Teilchen handelt. Vor dem Hintergrund dieser Untersuchungsergebnisse wird ein Bildungsmechanismus für die metalldotierten Röhren vorgeschlagen und diskutiert. Bei der Pyrolyse des heteroleptischen, mehrkernigen Komplexes [{?5-C5Me5}2-?2(SFc)2](Co-Co) zeigte sich die Bildung von kleinen Kohlenstoffröhren (Durchmesser ~20 nm) im Inneren der Pyrokohlenstoffröhre, ohne die Abscheidung von Metallpartikeln, was aus SEM- und TEM-Untersuchungen hervorging. Die Bildung dieser kleinen Kohlenstoffröhren wird vor dem Hintergrund der Zusammensetzung des Ausgangskomplexes diskutiert. Feldemissionsuntersuchungen an den durch Pyrolyse von Einstufenvorläufern dargestellten Materialien An den Proben, die durch die Pyrolyse von Chromocen, Nickelocen und Cobaltocen dargestellt wurden, wurden FE-Untersuchungen an mehreren cm2 großen Teilstücken mit einer integrierten Meßanlage mit Leuchtschirm (IMLS) durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurden die Kohlenstoffröhren in dem selbsttragenden Templat belassen. Die Einsatzfeldstärken und Emitterzahldichten sind in Tab. 1.1 dargestellt. Bei diesen Untersuchungen zeigten sich bis auf die aus Nickelocen als Vorläufer hergestellte Probe nur moderate Emitterzahldichten im Zentrum der Proben. Bei allen Proben konnte eine starke Kantenemission mit starken Stromfluktuationen, bedingt durch Degradation und Aktivierung von Emittern, beobachtet werden. Die Kantenemission wird an Hand eines vorgeschlagenen Modells erklärt und diskutiert. Die erhaltenen Einsatzfeldstärken werden mit den in der Literatur bekannten Daten für in poröses Al2O3 eingebettete Kohlenstoffröhren verglichen und diskutiert. Tab. 1.1: Einsatzfeldstärken und Emitterzahldichten der IMLS-Untersuchungen von Proben, die durch die Pyrolyse verschiedener Metallocene dargestellt worden sind. Vorläufer Untersuchungs-methode Emitterzahldichte [cm-2] EON[V·µm-1] Chromocen IMLS 20 – 25(Zentrum) 6.3 Nickelocen IMLS 4000 5 Cobaltocen IMLS 20 – 25(Kanten) n. b. [{?5-C5Me5}2-?2(SFc)2](Co-Co) IMLS 20 – 30über die gesamte Probe 5.7 Ferrocen / Decacyclen FERM ? 6·105 2.25 - 15 An einer Probe, die durch Pyrolyse eines Gemisches aus Ferrocen/Decacyclen dargestellt wurde, wurden Untersuchungen mit einem Feldemissionsrastermikroskop (FERM) an einem 1 x 1 mm2 Probenstück, sowie Einzelemitteruntersuchungen durchgeführt. Es konnten Emitterzahldichten von 6·105 cm-2 beobachtet werden. Durch SEM-Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß die FE aus auf der Oberfläche der Membran aufgewachsenen Strukturen austritt. Untersuchungen von Feldemisssionseigenschaften in Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit des Al2O3-Templatmaterials In weiteren Untersuchungen wurde durch Lochmaskenversuche oder Abscheidung von Al2O3 auf der Oberfläche der Membran versucht, die Kohlenstoffröhren weiter voneinander zu separieren, was nach Literaturuntersuchungen einen positiven Einfluß auf die FE-Eigenschaften von Kohlenstoffröhren hat. Für die Darstellung der Kohlenstoffröhren wurde in allen Versuchen Ferrocen als Einstufenvorläufer gewählt. Die so dargestellten Proben wurden mit IMLS und FERM untersucht. Aus den Lochmaskenversuchen zeigte sich, daß durch dieses Verfahren keine selektive Abscheidung von Kohlenstoffröhren in der Membran erhalten werden kann, da sich die Röhren auch an den abgeschatteten Bereichen der Membran bilden. In weiteren Versuchen ist zur Verstopfung der Poren eine Lösung von Al-sec-butylat in Pentan durch Tropfversuche auf die Oberfläche der Membran aufgebracht worden, was zu unterschiedlichen Oberflächenmorphologien führte. Es konnten im SEM freie, partiell verstopfte und vollständig verstopfte Bereich beobachtet werden. Nach der Darstellung der Röhren wurden im FERM Untersuchungen an einem Übergangsbereich zwischen vollständiger und partieller Verstopfung durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigen starke Abhängigkeiten der FE von der Oberflächenmorphologie. Im Übergangsbereich können Einsatzfeldstärken von 2.44 V·µm-1 und Emitterzahldichten von 14700 cm-2 beobachtet werden. Stromstabilitätstests über einen Zeitraum von 17 Stunden zeigen nur geringe Stromschwankungen. Hochstrombelastungsexperimente bis zu Stromstärken von 5 µA zeigen in einer statistischen Auswertung von 24 FN-Auftragungen starke Degradation und Zerstörung der Emitter. Untersuchungen in der IMLS an großen Probenstücken zeigen Emitterzahldichten von 1800 cm-2 und eine Abnahme der Emission um 22 % nach 50 Min. In diesen Untersuchungen werden Einsatzfeldstärken von 1.2 V·µm-1 gemessen. Begasungsexperimente mit N2 zeigen deutliche Degradation der Emitter. Eine Reproduktionsprobe zeigt ähnliche Ergebnisse. Die aus diesen Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse werden mit den Daten der Literatur verglichen und diskutiert. Weiterhin ist durch die Abscheidung von Al2O3-Partikeln auf der Oberfläche der Membran in einem CVD-Prozeß eine homogene, statistische Verstopfung von Poren gelungen (SEM-Untersuchungen). An diesen Proben sind nach Darstellung der Kohlenstoffröhren IMLS- und FERM-Untersuchungen durchgeführt worden. Die IMLS-Untersuchungen zeigen ein homogenes Emissionsbild über den gesamten Probenbereich. Es konnten Emitterzahldichten von 7000 cm-2 erreicht werden, die Einsatzfeldstärken liegen in einem Bereich von E(5 nA) = 2 V·µm-1. Untersuchungen im FERM zeigen Emitterzahldichten von 30000 cm-2 bei Einsatzfeldstärken von E(19 nA) < 50 V·µm-1. Aus SEM-Untersuchungen der Probenoberfläche wird geschlossen, daß es sich bei den emittierenden Strukturen um auf der Oberfläche aufgewachsene Kohlenstoffröhren mit einem Durchmesser von etwa 20 nm handelt. Aus diesen Ergebnissen wird ein Modell entwickelt und diskutiert, mit dem die FE aus diesen Strukturen erklärt werden kann. Zwei Reproduktionsproben zeigen vergleichbare Ergebnisse. Untersuchungen hinsichtlich der Länge der aus den Poren herausstehenden Strukturen im FERM zeigen, daß diese im Mittel etwa 2.9 µm lang sind. Weiterhin sind für diese Probe Feldüberhöhungsfaktoren berechnet worden. Sie betragen 340. Die erhaltenen Ergebnisse werden miteinander und mit Literaturdaten verglichen und diskutiert.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Chemie
Fakultät für Chemie » Anorganische Chemie
Dewey Dezimal-Klassifikation:
500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Stichwörter:
Kohlenstoffröhren, Anordnung, Einstufenvorläufer, Feldemission, Aluminiumoxid
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
03.06.2003
Dokument erstellt am:
03.06.2003
Promotionsantrag am:
25.08.2003
Dateien geändert am:
03.06.2003
Medientyp:
Text