Chemische Dampfabscheidung von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren-Arrays:Kritische Auswirkungen von Oxidpufferschichten

Hintergrund

Vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) weisen viele hervorragende Eigenschaften auf, darunter außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, attraktive elektrische Eigenschaften und eine hohe Wärmeleitfähigkeit [1,2,3]. Daher zeigen VACNTs ein großes Potenzial für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Feldemittern von Displays, biologischen Sensoren, mikroelektronischen Geräten sowie Wasserstoffspeicher- und Wärmeschnittstellenmaterialien [4,5,6,7,8,9,10,11 ]. Unter den bestehenden Verfahren scheint die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) für das Wachstum von VACNTs am besten geeignet zu sein; es bietet eine bessere Kontrolle der Wachstumsparameter und des Wachstums auf vordefinierten Stellen eines strukturierten Substrats [12,13,14,15,16,17]. Um durch CVD qualitativ hochwertige VACNTs zu erhalten, sollten Katalysator-Nanopartikel auf dem darunter liegenden Substrat gebildet und daran gehindert werden, mit diesem zu reagieren [18]. Um eine unerwünschte Metallsilicidbildung bei hohen Prozesstemperaturen zu vermeiden, wird im Allgemeinen eine Pufferschicht auf dem Substrat vor der Abscheidung des Katalysators abgeschieden [19, 20].

Viele Forscher haben festgestellt, dass die Pufferschicht für das Wachstum von VACNTs entscheidend ist und verschiedene Pufferschichten verschiedene Wirkungen zeigen [21]. Das effektive Wachstum von VACNTs hängt maßgeblich von der Art, Qualität hinsichtlich Porosität und Stöchiometrie der Pufferschicht ab [22,23,24,25]. Leeet al. berichteten, dass metallische Pufferschichten für das Wachstum von VACNTs unwirksam waren, da sie die Diffusion des Katalysators in das Substrat nicht verhindern konnten, was zur Bildung von Carbid- oder Silizidphasen führte [26]. Im Vergleich zu metallischen Filmen haben sich nichtmetallische Filme wie Oxidfilme als vorteilhafter für die Synthese von VACNTs erwiesen. de los Arcos et al. behauptete, dass im Vergleich zu Al Al₂ O₃ führten zu einem effizienteren Wachstum von VACNTs, wenn sie als Pufferschicht verwendet wurden [27, 28]. Außerdem verglichen mit SiO₂ , TiO₂ , und ZrO₂ , Al₂ O₃ erwies sich als besseres Pufferschichtmaterial für das Wachstum von VACNTs, wenn Fe als Katalysator verwendet wurde [29]. Obwohl verschiedene Oxidpufferschichten eingeführt wurden, um die Wachstumseffizienz von VACNTs zu erhöhen, ist ihre genaue Rolle unklar.

In diesem Artikel haben wir CVD verwendet, um VACNTs mit verschiedenen Oxidfilmen als Pufferschichten zu synthetisieren. Die Aktivität und Lebensdauer von Katalysator-Nanopartikeln wurde auf verschiedenen Oxidpufferschichten analysiert, um qualitativ hochwertige VACNTs zu erhalten. Der mögliche Wachstumsmechanismus von VACNTs wird ebenfalls diskutiert.

Methoden

Thermisch oxidiertes SiO₂ und drei Arten von Al₂ O₃ Als Oxidpufferschichten wurden dünne Filme verwendet. Die Al₂ O₃ Filme wurden auf Si-Substraten durch Atomlagenabscheidung (ALD), Elektronenstrahlverdampfung (EB) und Sputtern abgeschieden. Für ALD Al₂ O₃ Filme, Trimethylaluminium (TMA) und H₂ O wurden als Vorläufer bzw. Sauerstoffquelle verwendet. Die Abscheidungstemperatur wurde auf 200°C eingestellt. Die Dicke des Al₂ O₃ und SiO₂ Filme, die als Pufferschichten verwendet wurden, betrug 20 nm. Auf allen wurde durch EB-Verdampfung ein 1 nm dicker Fe-Film abgeschieden; es wurde als Katalysator verwendet. Anschließend wurden die VACNTs durch CVD (AIXTRON Black Magic II) synthetisiert. Zunächst wurde Wasserstoff in die Reaktionskammer eingeleitet und der Druck auf 0,2 µmbar eingestellt. Vor dem Wachstum von VACNTs wurde der Katalysator bei 550 °C unter Wasserstoff getempert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs wurde auf 700 sccm eingestellt und der Zeitraum betrug 3 min. Zweitens wurden Acetylen und Wasserstoff gleichzeitig in die Kammer eingeleitet und VACNTs auf Katalysator-Nanopartikeln hergestellt. Die Fließgeschwindigkeiten von Acetylen und Wasserstoff betrugen 100 bzw. 700 sccm. Die Wachstumstemperatur wurde von 500 auf 650 °C erhöht und die Wachstumsperiode wurde auf 30 °C festgelegt.

Epoxidharz (412813) wurde von Sigma-Aldrich Co., Ltd. bezogen. Das Härtungsmittel (C1486) und das Verdünnungsmittel (E0342) wurden von TCI Chemical Industrial Development Co., Ltd. bezogen. Nach dem Wachstum von VACNTs wurden VACNT/Epoxid-Verbundfolien wurden ebenfalls vorbereitet. Zuerst wurden Epoxidharz, Härter und Verdünnungsmittel als Matrix unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-Dispersionsmischmaschine (MIX500D) gemischt. Zweitens wurden die VACNTs in die Matrix eingetaucht, die anschließend in einem Vakuumofen bei 120°C 1 Stunde lang und dann bei 150°C 1 Stunde lang ausgehärtet wurde. Die erhaltenen Verbundfilme wurden vom Si-Substrat abgezogen und auf eine Dicke von ungefähr 300 µm poliert. Die Spitzen der VACNTs ragten aus beiden Oberflächen der Verbundfolie heraus.

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM; Merlin Compact) wurde verwendet, um den Durchmesser und die Verteilung der Katalysator-Nanopartikel sowie den Querschnitt der VACNTs und Verbundfilme zu charakterisieren. Raman-Spektren der VACNTs wurden mit einem inVia Reflex-Spektrometer aufgenommen, und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM; Tecnai G2 F20 S-TWIN) wurde verwendet, um die Morphologie der Kohlenstoffnanoröhren zu charakterisieren. Die chemische Zusammensetzung und Dichte der verschiedenen Pufferschichten wurden durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS; ESCALAB 250Xi) bzw. Röntgenreflexionsvermögen (XRR; Bruker D8 Discover) charakterisiert. Die Oberflächenrauhigkeit verschiedener Pufferschichten wurde durch Rasterkraftmikroskopie (AFM; SPM9700) analysiert. Die thermische Laserblitzanalyse (Netzsch LFA 447) und die Differentialscanningkalorimetrie (DSC; Mettler Toledo DSC1) wurden verwendet, um die Temperaturleitfähigkeit bzw. die spezifische Wärmekapazität der Verbundfolien zu messen. Anschließend wurde die Wärmeleitfähigkeit nach Gl. 1:

wo λ , α , Cp und ρ sind die Wärmeleitfähigkeit (W m ⁻¹ K ⁻¹ ), Wärmeleitfähigkeit (mm ² s ⁻¹ ), spezifische Wärmekapazität (J kg ⁻¹ K ⁻¹ ) und Dichte (kg m ⁻³ ) von Verbundfolien.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a–d zeigen Raman-Spektren von VACNTs, die auf verschiedenen Oxidpufferschichten gewachsen sind. Im Allgemeinen lag der G-Peak, der die symmetrische Schwingung der optischen Mode und der Sechs-Ring-Ebenen-Expansion ist, bei ungefähr 1580 cm ⁻¹ . [30]. Der D-Peak, ein Schwingungsmodus, der durch die Kante oder den Defekt der Mikrokristallebene verursacht wird, lag bei ungefähr 1360 cm ⁻¹ . [30]. Außerdem lag der G′-Peak typischerweise bei ~ 2700 cm ⁻¹ [31]. Für verschiedene Oxidpufferschichten ist das Verhältnis von I _D und ich _G wurde mit ungefähr gleich oder größer als 1 berechnet, und bei ~ 200 cm ⁻¹ . wurden keine radialen Atmungsmodi (RBMs) beobachtet . Diese Ergebnisse zeigen, dass alle präparierten VACNTs auf verschiedenen Pufferschichten mehrwandig waren. Abbildung 2a–d zeigen die Morphologie von VACNTs auf verschiedenen Pufferschichten, die mit TEM analysiert wurden. Die VACNTs waren auf allen mehrwandig, im Einklang mit den Ergebnissen der Raman-Analyse. Die Kohlenstoffnanoröhren waren dreiwandig auf ALD und EB Al₂ O₃ aber vier- oder fünfwandig auf gesputtertem Al₂ O₃ und SiO₂ .

Raman-Spektren von VACNTs, die auf verschiedenen Pufferschichten gewachsen sind:a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO₂ . Die Spektren wurden auf die Intensität der G-Bande normiert, um den Vergleich zu erleichtern

TEM-Bilder von VACNTs, die auf verschiedenen Pufferschichten gewachsen sind:a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO₂

Abbildung 3a–f zeigen die REM-Querschnittsbilder von VACNTs, die auf verschiedenen Oxidpufferschichten bei 600°C gewachsen sind. Die VACNTs wurden erfolgreich auf ALD und EB Al₂ . synthetisiert O₃ , wie in Abb. 3a, b, e und f gezeigt. Die Dicke von VACNTs auf ALD Al₂ O₃ war kleiner als bei EB Al₂ O₃ , was durch unterschiedliche Lebensdauern der Katalysatornanopartikel während der Wachstumsphase erklärt werden kann. Aus der Dicke der VACNTs wurde die Lebensdauer von Katalysator-Nanopartikeln abgeleitet, die die Zeit darstellt, nach der die Katalysator-Nanopartikel grundsätzlich ihre katalytische Funktion verloren haben, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu züchten [24]. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer von Katalysator-Nanopartikeln auf EB Al₂ O₃ war länger als bei ALD Al₂ O₃ , die weitgehend mit der Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln auf den Substraten zusammenhängt. Die Ostwald-Reifung ist ein Phänomen, bei dem größere Nanopartikel an Größe zunehmen, während kleinere Nanopartikel, die eine größere Dehnungsenergie aufweisen, an Größe schrumpfen und schließlich durch atomare Interdiffusion verschwinden [32]. Wenn ein Katalysator-Nanopartikel verschwand oder wenn zu viel Katalysator verloren ging, hörte das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren auf [32]. Wenn genügend Kohlenstoffnanoröhren aufhörten zu wachsen, endete das Wachstum von VACNTs kollektiv, weil jede abgeschlossene Kohlenstoffnanoröhre aufgrund von Van-der-Waals-Kräften und Verzahnung eine mechanische Widerstandskraft auf benachbarte wachsende Nanoröhren ausübte [32]. Daher war die Lebensdauer von Katalysatornanopartikeln hauptsächlich von ihrer Ostwald-Reifungsrate abhängig. Abbildung 3c zeigt, dass auf gesputtertem Al₂ . fast keine VACNTs vorhanden waren O₃ . Wie in Tabelle 1 gezeigt, die Dichte und chemische Zusammensetzung von gesputtertem Al₂ O₃ war fast ähnlich wie ALD und EB Al₂ O₃ , was darauf hindeutet, dass die verschiedenen Al₂ O₃ könnte eine ähnliche Barriereeigenschaft gegen Fe aufweisen. Daher könnte der Hauptgrund für das erfolglose Wachstum von VACNTs nicht die unterirdische Diffusion von Fe sein, sondern die ernsthafte Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln darauf [33]. Mit fortschreitender Ostwald-Reifung nimmt die Anzahl der Nanopartikel ab, während der durchschnittliche Katalysatordurchmesser zunimmt und sich die Nanopartikelgrößenverteilung verbreitert [32]. Daher würde eine ernsthafte Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln direkt zu einer geringen Dichte von Kohlenstoff-Nanoröhren führen. Im Allgemeinen war jede in CVD-Proben beobachtete marginale Ausrichtung auf einen Crowding-Effekt zurückzuführen, und Kohlenstoffnanoröhren unterstützen sich gegenseitig durch die Van-der-Waals-Anziehung [34]. Infolgedessen konnten VACNTs auf gesputtertem Al₂ . nicht erreicht werden O₃ . Verglichen mit VACNTs auf ALD und EB Al₂ O₃ , die auf SiO₂ waren sehr dünn, was durch die unterirdische Diffusion von Fe verursacht werden könnte, wie in Abb. 3d gezeigt [33].

SEM-Querschnittsbilder von VACNTs, die auf verschiedenen Pufferschichten bei 600°C gewachsen sind:a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO₂ . Bilder e und f zeige die interne Struktur von a und b bei hoher Vergrößerung

Abbildung 4a–d zeigen SEM-Bilder von Katalysator-Nanopartikeln auf verschiedenen Oxidpufferschichten nach dem Tempern bei 550 °C für 3 min in Abwesenheit von C₂ H₂ . Im Vergleich zu anderen hatten die Nanopartikel einen viel größeren Durchmesser auf gesputtertem Al₂ O₃ vor dem Wachstum von VACNTs. Abbildung 4e zeigt die Anzahl der Katalysator-Nanopartikel auf einem 200 × 200 nm ² Bereich verschiedener Pufferschichten. Die Anzahl der Nanopartikel war auf EB Al₂ . am höchsten O₃ , und am wenigsten auf gesputtertem Al₂ O₃ . Der größte Durchmesser und die geringste Anzahl von Nanopartikeln könnten zu ihrer kürzesten Lebensdauer auf gesputtertem Al₂ . führen O₃ aufgrund der Wirkung der Ostwald-Reifung. Es erklärt auch, warum auf gesputtertem Al₂ . fast keine VACNTs gewachsen sind O₃ (Abb. 3c). Darüber hinaus wurden auch der mittlere Durchmesser und die Größenverteilung von Katalysatornanopartikeln analysiert, wie in Abb. 5a–d gezeigt. Abbildung 5b zeigt, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikel auf EB Al₂ . am kleinsten war O₃ , was dazu führte, dass der Fe-Katalysator die längste Lebensdauer aufwies [35]. Das Ergebnis in Abb. 3b bestätigt, dass die dicksten VACNTs auf EB Al₂ . gezüchtet wurden O₃ . Abbildung 5c zeigt, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikel auf gesputtertem Al₂ . am größten war O₃ , was durch das Ergebnis in Abb. 4c bestätigt wurde. Abbildung 5a, d zeigen, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikel auf ALD Al₂ O₃ und SiO₂ war ähnlich, während Abb. 3a, d zeigt, dass ihre Dicke ziemlich unterschiedlich war. Fe-Atome könnten leichter durch SiO₂ . diffundieren und in das Si-Substrat als durch ALD Al₂ O₃ [33]. Die Diffusion von Fe unter die Oberfläche würde dazu führen, dass wenige Katalysator-Nanopartikel auf der Oberfläche von SiO₂ . vorhanden sind während der Wachstumsphase, was zu den dünnen VACNTs führte.

Draufsicht-REM-Bilder von Katalysator-Nanopartikeln, die auf verschiedenen Pufferschichten nach dem Tempern bei 550°C in Abwesenheit von C₂ . gebildet wurden H₂ :a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO_2. Das Bild in e zeigt die Menge an Katalysator-Nanopartikeln auf einer anderen Pufferschicht mit einem 200 × 200 nm ² Bereich

Größenverteilung von Katalysator-Nanopartikeln gemessen aus den FESEM-Daten durch manuelle Analyse von 100 Partikeln auf verschiedenen Pufferschichten:a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO₂

Abbildung 6a–d zeigen die Oberflächenrauheit verschiedener Pufferschichten vor der Abscheidung des Katalysators. Die Oberflächenrauheit von EB Al₂ O₃ war der größte; sein quadratischer Mittelwert (RMS)-Rauheitswert betrug 2,53 nm, wie in Abb. 6b und Tabelle 1 gezeigt. Wie bereits erwähnt, wurden der kleinste Durchmesser und die größte Anzahl von Katalysator-Nanopartikeln auf EB Al₂ O₃ . Die raue Oberfläche würde nach dem Tempern zu einem kleinen Durchmesser und einer hohen Dichte von Katalysator-Nanopartikeln führen. Abbildung 6c zeigt, dass die Oberfläche von gesputtertem Al₂ O₃ , dessen RMS-Wert 0,68 nm betrug, war am glattesten. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass der größte Durchmesser und die geringste Dichte von Nanopartikeln auch mit der glatten Oberfläche von gesputtertem Al₂ . zusammenhängen könnten O₃ . Aus Fig. 6a, d, der RMS-Wert von ALD Al₂ O₃ war größer als die von SiO₂ . Im Vergleich zu den Nanopartikeln auf SiO₂ , die auf ALD Al₂ O₃ wies eine größere Dichte und einen kleineren Durchmesser auf, wie durch die Ergebnisse in den Fig. 1 und 2 bestätigt wird. 4e und 5a, d. Daher war die Oberflächenrauheit von Pufferschichten kritisch und beeinflusste das Wachstum von VACNTs im CVD-Prozess stark.

AFM-Topographiebilder der belichteten Pufferschichten:a ALD Al₂ O₃ , b EB Al₂ O₃ , c gesputtertes Al₂ O₃ , und d SiO₂

Abbildung 7 zeigt den Einfluss der Abscheidungstemperatur auf die Wachstumsrate von VACNTs auf EB und ALD Al₂ O₃ . Bei Temperaturen unter 600°C nahm die Wachstumsrate mit steigender Temperatur zu. Wenn die Temperatur jedoch über 600 °C lag, nahm die Wachstumsrate offensichtlich ab. Dieses Verhalten könnte mit einer ernsthaften Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln zusammenhängen, die die Lebensdauer der Nanopartikel und die Wachstumsrate stark reduzierte [32]. Darüber hinaus zeigt Abb. 7 auch die Abhängigkeit der Wachstumsrate von 1/T; die Aktivierungsenergie wurde direkt aus der Steigung der linearen Anpassung an die Daten berechnet [36]. Die Aktivierungsenergien für die Keimbildung und das anfängliche Wachstum von VACNTs auf ALD und EB Al₂ O₃ waren 39,1 und 66,5 kJ mol ⁻¹ , bzw. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Aktivierungsenergie für die Keimbildung und das anfängliche Wachstum unter Verwendung von ALD Al₂ O₃ ist viel niedriger als bei EB Al₂ O₃ . Daher konnten wir schlussfolgern, dass die Keimbildung und das anfängliche Wachstum von VACNTs auf ALD Al₂ . leichter zu erreichen waren O₃ , verglichen mit EB Al₂ O₃ . Aus Tabelle 1 können wir entnehmen, dass ALD Al₂ . einige Verunreinigungen enthält O₃ , wie Kohlenstoff, die zusätzliche Stellen für die Nukleation von VACNTs bieten und dann ihre Aktivierungsenergie reduzieren könnten.

Variation der Wachstumsrate auf ALD und EB Al₂ O₃ Pufferschichten als Funktion der Abscheidungstemperatur. Die Aktivierungsenergien wurden aus einer linearen Interpolation der Steigungen berechnet

Abbildung 8a, b zeigen die REM-Querschnittsbilder der Verbundfilme, die durch Füllen der Matrix in VACNTs hergestellt wurden. Die VACNTs und die Matrix wurden vollständig kontaktiert und die VACNT-basierten Verbundfilme wurden erfolgreich synthetisiert. Anschließend wurden ihre longitudinalen Wärmeleitfähigkeiten analysiert, wie in Abb. 9 gezeigt. Im Vergleich zum reinen Epoxidharz verbesserten VACNTs offensichtlich die Wärmeleitfähigkeit der Verbundfolien. Darüber hinaus wies der Verbundfilm eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf, wobei die VACNTs auf ALD Al₂ . aufgewachsen waren O₃ im Vergleich zu EB Al₂ O₃ . Im Allgemeinen war die Wärmeleitfähigkeit von Epoxidharz viel niedriger als die von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren, deren experimentelle Wärmeleitfähigkeit mit mehr als 3000 W m ⁻¹ . angegeben wurde K ⁻¹ bei Raumtemperatur [37]. Jede Kohlenstoffnanoröhre war ein Weg der Wärmeableitung in Verbundfilmen, und eine höhere Wärmeleitfähigkeit bedeutet mehr Wege der Wärmeableitung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass auf ALD Al₂ . eine größere Menge an Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dichtere VACNTs erzielt werden könnten O₃ . Üblicherweise könnte jedes Katalysator-Nanopartikel höchstens eine Kohlenstoff-Nanoröhre produzieren, und die Anzahl der Katalysator-Nanopartikel könnte eine Vorhersage der Obergrenze der Dichte von VACNTs liefern [35, 38]. Allerdings konnten nicht alle Katalysatornanopartikel die Bildung einer Kohlenstoffnanoröhre erreichen, da die Aktivierungsenergie für die Keimbildung und das anfängliche Wachstum überwunden werden muss. Obwohl die EB Al₂ O₃ enthielt eine größere Anzahl von Katalysator-Nanopartikeln als ALD Al₂ O₃ , wie in Fig. 4e erwähnt, die Anzahl der Kohlenstoffnanoröhren auf EB Al₂ O₃ war immer noch geringer als bei ALD Al₂ O₃ . Dieses Ergebnis könnte durch eine niedrigere Aktivierungsenergie für die Keimbildung und das anfängliche Wachstum von VACNTs auf ALD Al₂ . erklärt werden O₃ , wie in Abb. 7 gezeigt. Daher war die Dichte der VACNTs neben der Anzahl der Katalysator-Nanopartikel immer noch weitgehend von der Aktivierungsenergie für ihre Keimbildung und ihr anfängliches Wachstum abhängig.

SEM-Querschnittsbilder von Verbundfilmen mit VACNTs, die auf verschiedenen Pufferschichten gewachsen sind:a ALD Al₂ O₃ und (b ) EB Al₂ O₃

Wärmeleitfähigkeitsanalyse verschiedener Filme:der Film mit reinem Epoxidharz und die Verbundfilme mit VACNTs aufgewachsen auf EB und ALD Al₂ O₃

Schlussfolgerungen

In dieser Studie haben wir das Wachstum von VACNTs auf verschiedenen Oxidpufferschichten und deren möglichen Wachstumsmechanismus untersucht. Die Lebensdauer von Katalysatornanopartikeln und die Dicke der hergestellten VACNTs hingen stark vom Durchmesser und der Dichte der Nanopartikel nach dem Tempern ab. Der kleinste Durchmesser und die höchste Dichte von Nanopartikeln wurden auf EB Al₂ . erreicht O₃ , und auf diesem Substrat wurden auch die dicksten VACNTs hergestellt. Umgekehrt wurden der größte Durchmesser und die geringste Dichte von Nanopartikeln auf gesputtertem Al₂ . erreicht O₃ , und es wurden fast keine VACNTs darauf vorbereitet. Diese Beobachtungen könnten durch eine ernsthafte Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln auf gesputtertem Al₂ . erklärt werden O₃ . Verglichen mit EB und ALD Al₂ O₃ , waren die präparierten VACNTs auf SiO₂ . viel dünner , was mit der unterirdischen Diffusion von Fe zusammenhängen könnte. Darüber hinaus beeinflusste die Oberflächenrauhigkeit von Pufferschichten den Durchmesser und die Dichte von Katalysator-Nanopartikeln stark. Verglichen mit der Oberfläche von gesputtertem Al₂ O₃ , die raue Oberfläche von EB Al₂ O₃ begünstigt einen kleinen Durchmesser und eine hohe Dichte der Katalysator-Nanopartikel.

Darüber hinaus war das Wachstum von VACNTs stark von der Abscheidungstemperatur abhängig. Bei einer Temperatur über 600 °C nahm die Wachstumsrate von VACNTs anscheinend ab, was durch eine ernsthafte Ostwald-Reifung von Katalysator-Nanopartikeln verursacht werden könnte, die deren Lebensdauer verkürzt. Verglichen mit der Aktivierungsenergie auf EB Al₂ O₃ , das auf ALD Al₂ O₃ war viel niedriger, was darauf hindeutet, dass die Keimbildung und das anfängliche Wachstum von VACNTs darauf leichter erreicht wurden. Diese niedrigere Aktivierungsenergie könnte zu dichteren VACNTs auf ALD Al₂ . führen O₃ , was durch die höhere Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung des Verbundfilms, der sie enthält, bestätigt wurde. Daher beeinflusste neben der Anzahl der Katalysator-Nanopartikel die Aktivierungsenergie für die Keimbildung und das anfängliche Wachstum von VACNTs immer noch stark ihre Dichte.

Abkürzungen

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

ALD:

Atomlagenabscheidung

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

DSC:

Differenzkalorimeter

EB:

Elektronenstrahl

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie

LFA:

Laser-Flash-Thermoanalysator

RBMs:

Radiale Atemmodi

RMS:

Root-Mean-Square

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TMA:

Trimethylaluminium

VACNTs:

Vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRR:

Röntgenreflexionsvermögen