Zur Wechselwirkung von Gasen mit Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphit und C60

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welchen Einfluss Gase auf die elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanorohr- (SWNT)-Material haben. Dazu wurden systematische Experimente zur Wechselwirkung von 19 verschiedenen Gasen mit SWNT-, Graphit- und C60 -Oberflächen durchgeführt. Im Einzelnen waren dies Thermische Desorptions-Spektroskopie (TDS), Laserinduzierte Thermische Desorption (LITD) und elektrische 4-Punkt- Widerstandsmessungen sowie Messungen der Thermokraft. Alle Messungen wurden in einer im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten UHV-Kammer durchgeführt. Die Bindungsenergien EB der untersuchten Gase und deren Adsorptions- bzw. Desorptionskinetik wurden ermittelt. Die Mehrheit der Gase wechselwirkt nur schwach (Physisorption) mit den defektfreien Oberflächen. Diffusion durch das poröse SWNT-Material beeinflusst die Wechselwirkung mit den Gasen stark, was sich in einer Verbreiterung der TD-Spektren und einer Verschiebung zu höheren Temperaturen im Vergleich zu den Graphit-Spektren ausdrückt. An Inhomogenitäten in Form von funktionalisierten Defektstellen im SWNT-Material findet eine stärkere Wechselwirkung statt. Diese äußert sich in Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit, aufgrund von Ladungstransfer zwischen Adsorbat und Substrat (Dotierung) und einer extremen Verbreiterung der TD-Spektren der entsprechenden polaren Gase. Die Art der Majoritäts-Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) wurde durch die Thermokraftmessungen bestimmt. Inhomogenitäten sind auch die Orte, wo die hier nachgewiesene chemische Reaktion von NO2 stattfindet. Durch eine systematische Auswertung konnte die gemessene Wechselwirkung der Gase in Einflüsse von verschiedenen VdW- Potentialtermen (wie Dispersionsterm, Orientierungsterm, Dipol-induzierter Dipol-Term) aufgeteilt werden. Aussagen über das Benetzungsverhalten der Gase auf den drei Oberflächen sind aufgrund der durchgeführten Experimente ebenfalls möglich. Als herausragendes Beispiel sei Wasser genannt, das keine der untersuchten Oberflächen vollständig benetzt. Die untersuchten Wechselwirkungen sind für mögliche Anwendungen z.B. im Bereich der Sensorik von Interesse.

This thesis aims at the understanding of the influence of adsorbed gases on the electronic properties of single-wall carbon nanotubes (SWNTs). A systematic analysis of the interaction of 19 gases with SWNT, graphite and C60 surfaces was carried out to achive this goal. From the kinetics of adsorption and desorption we determine the binding energies between the gases and the substrates. All gases are found to be only weakly physisorbed (van der Waals- interaction) on the pristine surfaces. Gas diffusion takes place through the porous SWNT-samples and broadens the desorption features in comparison to the graphite desorption spectra. The SWNT desorption features are also shifted to higher desorption temperatures for very small gas coverage of the sample, which can be explained by higher coordinated binding sites at the SWNT-bundle surface. For polar molecules we observe a minority species with higher desorption temperatures. Presumably, this is due to a stronger interaction of these gases with SWNT-defects. The corresponding thermal desorption (TD)-spectra show a long falling high temperature edge. This means that the basic gas interaction with SWNT-samples remains the same as with the planar graphitic surface, except at the defect sites on SWNTs. The observed reaction of NO2 with the SWNT-sample can be explained by the oxidation of SWNT-samples, starting from SWNT-defect sites. Our studies reveal that the direct influence of gas adsorption at defect sites on the electric resistance of the SWNTs and the direction of charge transfer between the adsorbed molecules and the SWNTs can in principle be obtained from electric transport measurements. The microscopic wetting properties of the substrates by adsorbates are also obtained from the systematic study of gas interactions with the surfaces. For example, water shows a non-complete wetting of all the carbon surfaces. The presented study contributes to the understanding of gas-SWNT-interaction and to possible application of SWNT based detectors as gas sensors. Experimental techniques used are thermal desorption spectroscopy (TDS), laserinduced thermal desorption (LITD), 4-point electric resistance and thermopower measurements. All experiments are performed under ultra high vacuum (UHV) conditions.