Forskere observerer, styring, og optimere væksten af ​​individuelle kulstofnanorør

(Phys.org)—Forskere fra NIST Center for Nanoscale Science and Technology og Arizona State University har brugt et miljøskanningstransmissionselektronmikroskop (ESTEM) til at kontrollere størrelsen og placeringen af ​​jernnanopartikler for at katalysere væksten af ​​kulstofnanorør på et siliciumoxidsubstrat. Syntese i stor skala af kulstof-nanorør til prisbillige feltemissionsskærme (FED'er) kræver stringent kontrol med nanorørets længde, diameter, og overfladedensitet.

Ved at bruge ESTEM, forskerne var i stand til at visualisere placeringen af ​​katalysatornanopartiklerne og væksten af ​​nanorørene i realtid. De testede hypotesen om, at diameteren af ​​kulstofnanorør er afhængig af størrelsen af ​​katalysatorpartiklerne ved at afsætte jernkatalysatornanopartikler af forskellig størrelse og tæthed på et substrat ved hjælp af mikroskopets elektronstråle for at inducere dissociation af de jernholdige katalysatorforstadier. De fandt ud af, at en række faktorer styrer størrelsen og den katalytiske aktivitet af nanopartikler for vækst af nanorør, herunder valget af prækursoren (ferrocen eller dijernnonacarbonyl), substrattemperaturen, opholdstiden for forstadiet på substratet, og elektronstråleenergien. De var i stand til at bruge aflejringstiden til at kontrollere partikelstørrelsen og placeringen af ​​elektronstrålen til at kontrollere placeringen af ​​katalysatorpartiklerne på overfladen af ​​substratet.

De fandt også ud af, at jernpartiklernes katalytiske aktivitet til rørvækst afhænger af mængden af ​​carbon, der co-deponeres med jernet under elektronstråleinduceret aflejringsproces, fordi medaflejret kulstof danner grafitiske skaller omkring jernpartiklerne. Disse skaller gjorde partiklerne kemisk inaktive til at inducere carbon nanorørvækst. Dette problem blev løst for dijern-nonacarbonyl-prækursoren ved at øge substrattemperaturen til 100 °C, hvilket reducerede mængden af ​​co-deponeret kulstof. Da opvarmning af substratet ikke påvirkede co-deponerede kulstofniveauer i ferrocenprøverne, dijern-nonacarbonyl ser ud til at være bedre egnet som katalysatorprækursor for kontrolleret kulstofnanorørvækst. Forskerne mener, at disse resultater vil hjælpe med at skabe substrater med kulstofnanorør i passende størrelser og overfladedensiteter til brug i FED'er.