Vertikalt inriktade kolnanorörsmatriser

Vertikalt inriktade kolnanorörsmatriser ( VANTAS ) är en unik mikrostruktur som består av kolnanorör orienterade med sin längdaxel vinkelrät mot en substratyta. Dessa VANTA:er bevarar och accentuerar ofta de unika anisotropa egenskaperna hos enskilda kolnanorör och har en morfologi som kan kontrolleras exakt. VANTA:er är följaktligen allmänt användbara i en rad aktuella och potentiella enhetstillämpningar.

Syntes

Det finns en handfull experimentella tekniker tillgängliga för att anpassa en enda eller en rad CNTs längs en förutbestämd orientering. Teknikerna är beroende av olika mekanismer och är därför tillämpliga på olika situationer. Dessa tekniker är kategoriserade i två grupper som hänför sig till när anpassningen uppnås: (a) in-situ-tekniker där anpassning uppnås under CNT-tillväxtprocessen och (b) ex-situ-tekniker där CNT:er ursprungligen odlas i slumpmässiga orienteringar och anpassning är uppnås efteråt, till exempel under enhetsintegrationsprocessen.

Termisk kemisk ångavsättning

Tillväxtmekanism

Termisk kemisk ångavsättning är en vanlig teknik för att odla inriktade arrayer av CNT. I CVD-processen sönderdelas en het kolhaltig gas, *lämnar kol diffunderar in i eller runt katalysatorpartiklarna*, och bildar sedan en grafitisk nanorörssidovägg vid en kristallografisk yta av katalysatorn. Katalysatordiametern styr direkt diametern på de nanorör som odlas. Det finns två primära tillväxtmodeller för CVD-tillväxten av VANTA: "tip-growth model" och "base-growth model." I fallet med spetstillväxtmodellen sönderdelas kolväte på metallens övre yta, kol diffunderar ner genom metallen och CNT fälls ut över metallbotten, trycker bort hela metallpartikeln från substratet och fortsätter att växa tills metallen är helt täckt med överskott av kol och dess katalytiska aktivitet upphör. När det gäller bastillväxtmodellen sker den initiala kolvätesönderdelningen och koldiffusionen liknande den i spetstillväxtfallet, men CNT-utfällningen kommer ut från metallpartikelns spets och bildar en halvsfärisk kupol, som sedan sträcker sig uppåt. i form av sömlös grafitcylinder. Efterföljande sönderdelning av kolväten äger rum på metallens nedre perifera yta, och då upplöst kol diffunderar uppåt. De flesta termiska CVD-processer odlar nanorör genom rot- eller bastillväxtmetoden. Morfologin för både de individuella CNTs och CNT-arrayen dikteras av olika CVD-tillväxtparametrar, som kan anpassas för att ge vertikalt inriktade arrayer av CNTs med olika strukturer.

Katalysator

Katalysatorn möjliggör pyrolys av kol och efterföljande tillväxt av VANTA. Katalysatorer är typiskt metaller som har hög kollöslighet vid höga temperaturer och som uppvisar en hög koldiffusionshastighet, såsom järn (Fe), kobolt (Co) och nickel (Ni). Andra övergångsmetaller som koppar (Cu), guld (Au), silver (Ag), platina (Pt) och palladium (Pd) rapporteras också katalysera CNT-tillväxt från olika kolväten men har lägre kollöslighet och följaktligen lägre tillväxthastigheter . Fasta organometallocener såsom ferrocen , koboltocen, nickelocen är också vanliga katalysatorer. Det har visat sig att temperaturen och tiden för de termiska och reduktionskatalysatorförbehandlingsstegen är avgörande variabler för optimerad nanopartikelfördelning med olika medeldiametrar, beroende på den initiala filmtjockleken. För CNT-tillväxt genom CVD appliceras en sputtrad tunn film av katalysator (t.ex. 1 nm Fe). Under uppvärmningen avväts filmen, vilket skapar öar av järn som sedan bildar nanorör. Eftersom järnet är rörligt kan öar smälta samman om de lämnas för länge vid tillväxttemperaturen innan de påbörjar tillväxt av nanorör. Glödgning vid tillväxttemperaturen minskar platsdensiteten #/mm2 och ökar diametern på nanorören. När nanorören växer från katalysatoröarna lämnar trängseleffekterna och van der Waals-krafterna mellan andra CNTs dem inget val att växa i någon riktning utom vertikalt mot substratet.

Höjden på vertikalt inriktade CNT varierar också med katalysatorpartikelavståndet. Rapporter har indikerat att för vertikalt inriktade arrayer av CNT-buntar växer CNTs längre när det finns andra CNTs som växer nära dem, indikerat av längre CNTs odlade på större katalysatorpartiklar eller när katalysatorpartiklar är placerade nära varandra. Choi et al. rapporterade god morfologi och tät fördelning av VANTAs odlade från Ni nano-pulver och magnetiska vätskor blandade i polyvinylalkohol spin-coated på Si och aluminiumoxid. Xiong et al. visat att enkristallmagnesiumoxid ( MgO) är ett kapabelt substrat för att odla VANTA så långa som 2,2 mm när de katalyseras med en Fe-katalysator. Det har också visats att applicering av ett monoskikt av Mo med en Co-katalysator undertryckte breddningen av SWNT-diameterfördelningen i den växande VANTA, medan både sammansättningen och mängden Co och Mo påverkade den katalytiska aktiviteten.

Stöd

Substratmaterialet, dess ytmorfologi och texturegenskaper påverkar i hög grad det resulterande VANTA-utbytet. Några exempel på vanligt använda substrat i CVD är kvarts , kisel, kiselkarbid, kiseldioxid, aluminiumoxid, zeolit , CaCO ₃ och magnesiumoxid. De flesta substrat är belagda med ett underskikt bestående av 10-20 nm aluminiumoxid före avsättning av katalysatorn. Detta reglerar avvätning av katalysatorn till öar av förutsägbar storlek och är en diffusionsbarriär mellan substratet och metallkatalysatorn. Li et al. har producerat VANTA bestående av Y-formade kolnanorör genom pyrolys av metan över kobolttäckt magnesiumoxidkatalysator på grenade nanokanalaluminiumoxidmallar. Qu et al. använde en beckbaserad kolfiber som stöd för tillväxten av VANTA med en FePc-kolkälla. Den resulterande matrisen fortplantar sig radiellt på ytan av kolfibern.

Zhong, et al. demonstrerade den direkta tillväxten av VANTA på metalliska titan (Ti) beläggningar med en Fe/Ti/Fe katalysator sputtrad på SiO ₂ /Si wafers. Alvarez et al. rapporterar förmågan att spinnbelägga en alumoxanlösning som ett katalysatorstöd för VANTA-tillväxter via CVD. - _katalysator avdunstats på den spinnbelagda bäraren, var det resulterande VANTA-tillväxtutbytet liknande det för konventionella Al2O3- _{pulverbärare} .

Kolkälla

Kolkällan för CVD av VANTA är oftast en kolgas såsom metan , etylen , acetylen , bensen , xylen eller kolmonoxid . Andra exempel på kolprekursorer inkluderar cyklohexan, fulleren, metanol och etanol. Pyrolysen av dessa gaser till kolatomer varierar beroende på nedbrytningshastigheten vid tillväxttemperaturer, kolinnehållet i gasmolekylerna och tillväxtkatalysatorn. Linjära kolväten såsom metan, eten, acetylen sönderdelas termiskt till atomära kol eller linjära dimerer/trimerer av kol och producerar i allmänhet raka och ihåliga CNT. Å andra sidan producerar cykliska kolväten såsom bensen, xylen, cyklohexan, fulleren relativt krökta/hunkade CNTs med rörväggarna ofta överbryggade inuti. Riktade arrayer av MWNTs har syntetiserats genom katalytisk nedbrytning av ferrocen-xylenprekursorblandning på kvartssubstrat vid atmosfärstryck och relativt låg temperatur (~675 °C).

Eres et al. fann att tillsatsen av ferrocen till gasströmmen genom termisk avdunstning samtidigt med acetylen ökade kolnanorörets tillväxthastighet och utökade VANTA-tjockleken till 3,25 mm. Ferrocen infördes i gasströmmen genom termisk förångning samtidigt med flödet av acetylen. Qu et al. rapporterade en lågtrycks-CVD-process på en SiO ₂ /Si-skiva som producerar en VANTA bestående av CNTs med krulliga intrasslade ändar. Under den pyrolytiska tillväxten av VANTAerna växte de initialt bildade nanorörssegmenten från bastillväxtprocessen i slumpmässiga riktningar och bildade ett slumpmässigt intrasslat toppskikt av nanorör till vilket de underliggande raka nanorörsarrayerna sedan dök upp. Zhong et al. studerade en ren termisk CVD-process för SWNT-skogar utan en etsgas, och visade att acetylen är den huvudsakliga tillväxtprekursorn, och omvandlingen av eventuellt råmaterial till C 2 H 2 _är av _avgörande betydelse för SWNT VANTA-tillväxten. Ett reaktivt etsmedel , såsom vatten, atomärt väte eller hydroxylradikaler, kan vidga SWNT-skogsavsättningsfönstret men krävs inte i kallväggsreaktorer vid låga tryck.

Dasgupta et al. syntetiserade en fristående makrotubulär VANTA med en spraypyrolys av ferrocen-bensenlösning i en kväveatmosfär, med det optimala villkoret för bildandet av makrotubulär geometri visade sig vara 950 °C, 50 mg/ml ferrocen i bensen 1,5 ml/min pumphastighet för flytande prekursor och 5 lpm kvävgasflödeshastighet.

Temperatur

Vid en för låg temperatur är katalysatoratomerna inte tillräckligt mobila för att aggregera ihop till partiklar för att kärnbilda och växa nanorör och den katalytiska nedbrytningen av kolprekursorn kan vara för långsam för bildandet av nanorör. Om temperaturen är för hög blir katalysatorn för rörlig för att bilda partiklar som är tillräckligt små för att kärnbilda och växa CNT. Ett typiskt område för tillväxttemperaturer som är mottagliga för CVD-tillväxt av VANTA är 600-1200 °C. Den individuella CNT-strukturen påverkas av tillväxttemperaturen; en lågtemperatur-CVD (600–900 °C) ger MWCNTs, medan högtemperaturreaktioner (900–1200 °C) gynnar SWCNT eftersom de har en högre bildningsenergi. En kritisk temperatur finns för varje CVD-system där tillväxthastigheten platåer vid ett maximalt värde.

Temperaturberoendet för kolnanorörstillväxten med ferrocen uppvisar ett brant fall vid höga substrattemperaturer och en förlust av vertikal inriktning vid 900 °C. Zhang et al. genomförde VANTA-tillväxter på en serie Fe/Mo/vermikulit-katalysatorer och rapporterade att med den ökande tillväxttemperaturen blev anpassningen av CNT interkalerade bland vermikuliter värre.

Flödesassisterad tillväxt

En nyckel till höga tillväxtutbyten är ett korrekt införande av oxidativa medel under gasens omgivning så att katalysatorpartikelytorna förblir aktiva under längsta möjliga period, vilket förmodligen uppnås genom att balansera konkurrensen mellan amorf koltillväxt och sp 2 grafitiska ^kristaller på katalysatorpartiklarna. Oxidanter kan inte bara avlägsna eller förhindra amorf koltillväxt, utan kan också etsa in i grafitskikt när de används i högre än gynnsamma koncentrationer. Hata et al. rapporterade vertikalt inriktade 2,5 mm långa SWCNTs i millimeterskalan med användning av den vattenassisterade eten-CVD-processen med Fe/Al- eller aluminiumoxidflerskikt på Si-skivor. Det föreslogs att kontrollerad tillförsel av ånga till CVD-reaktorn fungerade som en svag oxidator och selektivt avlägsnade amorft kol utan att skada de växande CNT.

Fältassisterad tillväxt

Eftersom alla CNT:er är elektriskt ledande har de en tendens att anpassa sig till de elektriska fältlinjerna. Olika metoder har utvecklats för att applicera ett tillräckligt starkt elektriskt fält under CNT-tillväxtprocessen för att uppnå enhetlig inriktning av CNT baserat på denna princip. Orienteringen av de inriktade CNT:erna är huvudsakligen beroende av längden av CNT:erna och det elektriska fältet förutom den termiska randomiseringen och van der Waals-krafterna. Denna teknik har använts för att odla VANTA genom att positivt påverka substratet under CVD-tillväxt.

En annan modifierad metod för att odla VANTA är att styra orienteringen av ferromagnetiska katalysatorer som har en kristallografisk magnetisk lättaxel. Den magnetiska lättaxeln tenderar att vara parallell med magnetfältet. Som ett resultat kan en applicerad magnetisk kraft orientera dessa magnetiska katalytiska nanopartiklar, som katalytiska järnnanopartiklar och Fe ₃ O ₄ nanopartiklar. Eftersom endast en viss nanokristallin aspekt av katalytiska nanopartiklar är katalytiskt aktiv och diffusionshastigheten för kolatomer på facetten är den högsta, växer CNTs företrädesvis från den vissa aspekten av de katalytiska nanopartiklarna och de odlade CNT:erna är orienterade i en viss vinkel.

Individuellt adresserbara nanostrukturer

Kolnanorör kan odlas på ett modifierat substrat för att tillåta separata elektriska kontakter till varje nanostruktur. Denna tillväxt av nanorör åstadkoms genom att litografiskt placera metallspår åtskilda av isolatormaterial och ansluta dessa spår till individuella katalysatorställen på substratytan. Nanorören odlas sedan som vanligt med CVD och en serie reaktioner vid katalysatorn bildar en enda förbindelse mellan ett nanorör och en metallkontakt. Nanostrukturerna kan sedan funktionaliseras individuellt och deras elektriska svar mätas individuellt utan överhörning och andra flaskhalsar som uppstår från arrayheterogenitet. Denna teknik, som åstadkommer exakt placering och konfiguration av individuella nanorör, låser upp och förbättrar ett brett utbud av tillämpningar för VANTA:s: diagnostisk testning för många analyter samtidigt, superkondensatorer med hög energitäthet, fälteffekttransistorer, etc.

Plasmaförstärkt CVD

Tillväxtmekanism

I plasmaförstärkta CVD-processer ( PECVD ) producerar elektriska DC-fält, radiofrekventa elektriska fält eller mikrovågor plasma för att i första hand sänka syntestemperaturen för CNT. Samtidigt produceras också ett elektriskt fält (DC eller AC) över substratytan för att styra CNT-tillväxtförökningen. DC-PECVD-processen för vertikalt inriktade CNT-matriser inkluderar fyra grundläggande steg: evakuering, uppvärmning, plasmagenerering och kylning. En typisk procedur utförs vid ett tryck på 8 Torr i NH3 och vid en tillväxttemperatur i intervallet 450–600 ◦. Så snart temperaturen och trycket har stabiliserats, appliceras en DC-förspänning på 450–650 V till gapet mellan två elektroder för att antända en elektrisk urladdning (plasma) över provet. Tillväxttiden kan variera från ett par minuter till timmar beroende på tillväxthastigheten och önskad CNT-längd. När slutet av tillväxttiden nås, tas förspänningen bort omedelbart för att avsluta plasman.

Zhong et al. rapporterade en ny punktbågsmikrovågsplasma CVD-apparat som användes för SWNTs på Si-substrat belagda med en sandwichliknande nanolagerstruktur av 0,7 nm Al 2 _O 3 _/ 0,5 nm Fe/ 5–70 nm Al ₂ O ₃ med konventionell hög frekvens sputtering. Tillväxten av extremt täta och vertikalt inriktade SWNTs med en nästan konstant tillväxthastighet på 270 mm/h inom 40 minuter vid en temperatur så låg som 600 °C demonstrerades för första gången och volymdensiteten för SWNT-filmerna som vuxit är så högre som 66 kg/m ³ .

Katalysator

Bildandet av ett tätt och relativt enhetligt lager av katalysatornanopartiklar är också väsentligt för vertikalt inriktade SWCNT-tillväxt vertikalt inriktade SWCNTs med PECVD-metoden. Amaratunga et al. rapporterade tillväxten av vertikalt inriktade CNTs med användning av en likströms PECVD-teknik med ett Ni- och Co-katalysatorsystem. Deras resultat visar att inriktningen av vertikalt inriktade CNTs beror på det elektriska fältet och att tillväxthastigheten kan ändras beroende på CNT-diametern, som når ett maximum som en funktion av tillväxttemperaturen. VANTAs bestående av SWNTs har odlats så långa som 0,5 cm. Zhong et al. rapporterade en ny punktbåge-mikrovågsplasma CVD-apparat som användes för SWNTs på Si-substrat belagda med en sandwichliknande nanoskiktstruktur av 0,7 nm Al2O3/0,5 nm Fe/5–70 nm Al 2 O 3 genom _{konventionell} högfrekvent _sputtering . Tillväxten av extremt täta och vertikalt inriktade SWNTs med en nästan konstant tillväxthastighet på 270 mm/h inom 40 minuter vid en temperatur så låg som 600 °C demonstrerades för första gången och volymdensiteten för SWNT-filmerna som vuxit är så högre som 66 kg/m ³ .

Stöd

För PECVD-processer måste substratet vara kemiskt stabilt under plasman som är rik på H-arter. Vissa svagt bundna oxider som indiumoxid kan snabbt reduceras i denna plasma och är därför vanligtvis inte tillämpbara som substrat eller underskikt. Substratet måste också vara elektriskt ledande för att upprätthålla ett kontinuerligt likströmsflöde genom dess yta där CNT växer från. De flesta metaller och halvledare är mycket bra substratmaterial, och isolerande substrat kan först beläggas med ett ledande skikt för att fungera korrekt för att stödja PECVD VANTA-tillväxt.

Kolkälla

C2H2 _introduceras vanligtvis för att utlösa CNT-tillväxten under PECVD av VANTA _. Flödeshastighetsförhållandet för NH3 _: C2H2 _{är vanligtvis runt 4:1 för att minimera} bildningen av amorft kol . Behr et al. studerade effekten av väte på katalysatornanopartiklarna under PECVD av VANTAs, och visade att vid H ₂ -till-CH ₄ förhållanden på cirka 1 järnkatalysator omvandlas nanopartiklar till Fe ₃ C och väl grafitiserade nanorör växer från långsträckta Fe ₃ C kristaller. H ₂ -till-CH ₄ förhållanden större än 5 i matargasen resulterar i höga vätekoncentrationer i plasman och starkt reducerande förhållanden, vilket förhindrar omvandlingen av Fe till Fe 3 C _och gör att dåligt grafitiserade nanofibrer växer med tjocka väggar.

Temperatur

En av de stora fördelarna med att använda PECVD-tillväxttekniker är den låga tillväxttemperaturen. Joniseringen av de neutrala kolvätemolekylerna inuti plasman underlättar brytningen av C–H-bindningarna och sänker aktiveringsenergin för CNT-tillväxten till cirka 0,3 eV i motsats till de 1,2 eV som behövs för termiska CVD-processer.

Elektroforetisk avsättning

CNT-lösningar kan bilda VANTA:er genom inriktning längs likströms- eller AC-elektriska fältlinjer. CNT:erna polariseras i suspensionen av det elektriska fältet på grund av dielektrisk oöverensstämmelse mellan CNT:er och vätskan. Polarisationsmomentet roterar CNT:erna i riktningen för elektriska fältlinjer, och riktar dem därför i en gemensam riktning. Efter att ha justerats, tas CNTs ut med substraten och torkas för att bilda funktionella VANTAs.

Mekanisk belastning

Slumpmässigt orienterade CNTs på ett substrat kan sträckas för att räta ut och reda ut filmen genom att bryta substratet och dra isär ändarna. De inriktade CNT:erna är parallella med varandra och vinkelräta mot sprickan. Sträckningsmetoden kan makroskopiskt rikta in CNT:erna samtidigt som den inte ger deterministisk kontroll över individuell CNT-inriktning eller position under montering.

Aktuella applikationer

Fältutsläppsanordningar

CNTs har höga bildförhållanden (längd dividerad med diameter) och inducerar mycket höga lokala elektriska fältintensiteter runt spetsarna. Fältemission i fasta ämnen sker i intensiva elektriska fält och är starkt beroende av det emitterande materialets arbetsfunktion. I ett arrangemang med parallella plattor ges det makroskopiska fältet Emacro mellan plattorna av E _makro = V/d, där d är plattseparationen och V den pålagda spänningen. Om ett skarpt föremål skapas på en platta så är det lokala fältet Elocal vid dess spets större än Emacro och kan relateras till: E _local =γ×E _makro Parametern γ kallas fältförstärkningsfaktorn och bestäms i princip av föremålets form. Typiska fältförstärkningsfaktorer som sträcker sig från 30 000 till 50 000 kan erhållas från individuella CNT, vilket gör VANTA till ett av de bästa elektronemitterande materialen.

Blackbody absorberare

Huvudartikel: Vantablack

VANTAs erbjuder en unik ljusabsorberande yta på grund av deras extremt låga brytningsindex och nanoskaliga ytjämnhet hos de inriktade CNT:erna. Yang et al. visade att VANTA med låg densitet uppvisar en ultralåg diffus reflektans på 1 × 10–7 med en motsvarande integrerad total reflektans på 0,045 %. Även om VANTA svarta beläggningar måste överföras direkt eller odlas på substrat, till skillnad från svarta beläggningar som består av slumpmässiga nätverk av CNTs som kan bearbetas till CNT-färger, anses de vara det svartaste konstgjorda materialet på jorden.

VANTA svartkroppsabsorbenter är därför användbara som ströljusabsorbenter för att förbättra upplösningen hos känsliga spektroskop, teleskop , mikroskop och optiska avkänningsanordningar. Flera kommersiella optiska svarta beläggningsprodukter såsom Vantablack och adVANTA optiska nanorörsvarta har tillverkats av VANTA-beläggningar. VANTA-absorbenter kan också öka absorptionen av värme i material som används i koncentrerad solenergiteknik, såväl som militära applikationer som termiskt kamouflage. Visuella visningar av VANTA-absorbenter har skapat intresse hos konstnärer som vill dra nytta av släckningen av skuggor från grov yta. Nyligen användes Vantablack av konstnären Asif Khan för att skapa Hyundai Pavilion i Pyeongchang för vinter-OS 2018.

Kolfiberlinor

VANTA kan bearbetas genom flyktiga lösningar eller tvinnas för att kondensera till spunnet CNT-garn eller rep. Jiang et al. demonstrerade en spinn- och tvinningsmetod som bildar ett CNT-garn av en VANTA som ger upphov till både ett runt tvärsnitt och en draghållfasthet på runt 1 GPa. Draghållfastheten hos CNT-garn spunnen från ultralånga CNT-arrayer på 1 mm höjd kan variera från 1,35 till 3,3 GPa.

Enkelriktade ark

Lui et al. beskriva sätt att kontrollera de fysikaliska egenskaperna hos ark spunna från CNT-matriser, inklusive katalysatorfilmtjocklek, för att kontrollera rördiameterfördelningen och tillväxttid för att kontrollera rörlängden. Dessa egenskaper kan användas för att styra de elektriska och optiska egenskaperna hos arket som snurras från matrisen. Arken kan vara användbara i vetenskapliga tillämpningar, såsom polarisering av ljus genom arket (graden av polarisering kan också styras av arkets temperatur).

Självhäftande filmer

Biomimikstudier inriktade på att replikera vidhäftningen av geckofötter på släta ytor har rapporterat framgång med att använda VANTA som en torr vidhäftande film. Qu et al. kunde demonstrera VANTA-filmer som uppvisade makroskopiska vidhäftningskrafter på ~100 newton per kvadratcentimeter, vilket är nästan 10 gånger större än en geckofot. Detta uppnåddes genom att anpassa tillväxtförhållandena för VANTA för att bilda lockar i slutet av CNTs, vilket ger starkare gränssnittsinteraktioner även med en slät yta. Qu et al. visade också att de vidhäftande egenskaperna var mindre temperaturkänsliga än superlim och tejp.

Gassensor

VANTA tillåter utveckling av nya sensorer och/eller sensorchips utan behov av direkt manipulation av individuella nanorör. Den inriktade nanorörsstrukturen ger vidare en stor väldefinierad yta och kapaciteten att modifiera kolnanorörsytan med olika transduktionsmaterial för att effektivt förbättra känsligheten och för att bredda omfattningen av analyter som ska detekteras. Wei et al. rapporterade en gassensor tillverkad genom att delvis täcka en VANTA med en polymerbeläggning uppifrån och ned längs rörets längd genom att avsätta en droppe polymerlösning (t.ex. poly(vinylacetat), PVAc, polyisopren, PI) på nanorörsfilmen, varvid kompositfilm som en fristående film och sedan sputterbeläggning av två remsor av guld över nanorörsuppsättningarna som stack ut från polymermatrisen. Den flexibla VANTA-enheten visade sig framgångsrikt känna av kemiska ångor genom att övervaka konduktivitetsförändringar orsakade av laddningsöverföringsinteraktionen med gasmolekyler och/eller avståndsförändringarna mellan rören inducerade av polymersvällning via gasabsorption. Hittills har CNT visat känslighet mot gaser såsom NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , C ₂ H ₄ , CO, SO ₂ , H ₂ S och O ₂ .

Biologisk sensor

VANTA fungerar som skogar av molekylära trådar för att möjliggöra elektrisk kommunikation mellan den underliggande elektroden och en biologisk enhet. De främsta fördelarna med VANTA är nanostorleken på det CNT-avkännande elementet och den motsvarande lilla mängden material som krävs för ett detekterbart svar. De väljusterade CNT-matriserna har använts för att fungera som ribonukleinsyra-( RNA )-sensorer, enzymsensorer , DNA- sensorer och till och med proteinsensorer . Liknande VANTAs av MWNTs, odlade på platinasubstrat, är användbara för amperometriska elektroder där de syresatta eller funktionaliserade öppna ändarna av nanorör används för immobilisering av biologiska arter, medan platinasubstratet tillhandahåller signaltransduktionen. För att öka selektiviteten och känsligheten hos amperometriska biosensorer, används ofta artificiella mediatorer och permselektiva beläggningar vid tillverkning av biosensorer. Artificiella mediatorer används för att skjuta elektroner mellan enzymet och elektroden för att möjliggöra drift vid låga potentialer. Gooding et al. visade att förkortade SWNTs kan riktas vinkelrätt mot en elektrod genom självmontering och fungera som molekylära ledningar för att möjliggöra elektrisk kommunikation mellan den underliggande elektroden och redoxproteiner som är kovalent fästa vid ändarna av SWNTs. Den höga hastigheten för elektronöverföring genom nanorören till redoxproteiner demonstreras tydligt av likheten i hastighetskonstanten för elektronöverföring till MP-11 oavsett om SWNTs är närvarande eller inte.

Termiska gränssnittsmaterial

VANTA-gränssnitt är mer termiskt ledande än konventionella termiska gränssnittsmaterial vid samma temperaturer eftersom fononer lätt fortplantar sig längs de mycket termiskt ledande CNT:erna och sålunda transporteras värme i en riktning längs inriktningen av CNT:erna. Fördelningen och inriktningen av de termiskt ledande CNT-fyllmedlen är viktiga faktorer för att påverka fonontransporten. Huang et al. visade att en termiskt ledande komposit visar en förbättring på 0,65 W/m/K med en belastning på 0,3 viktprocent VANTA, medan den förbättrade värmeledningsförmågan hos en komposit med 0,3 viktprocent belastning av slumpmässigt dispergerad CNT är under 0,05 W/m/K . Tong et al. rapporterade att CNT-matriser kan användas effektivt som termiska gränssnittsmaterial (TIM) på grund av deras höga konduktans, som de rapporterar som ~10^5 W/m^2/K. Termiska gränssnittsmaterial är material som kan förbättra värmeledning vid ytor genom att ha hög värmeledningsförmåga; det är användbart att ha material som kan designas för att passa vilken geometri som helst. Dessutom möjliggör geometrin hos VANTA-systemen anisotrop värmeöverföring. Ivanov et al. fann att anisotrop värmeöverföring kunde uppnås med VANTA: de uppnådde termiska diffusiviteter upp till 2,10,2 cm^2/s, anisotropiförhållanden upp till 72, och fann värmeledningsförmågan större än de för material som används i mikroelektronik idag. Värmeöverföringsegenskaper beror i hög grad på strukturen hos arrayen, så de metoder som används för att tillverka produkten måste vara enhetliga och reproducerbara för utbredd användning. Defekter i strukturen kan också drastiskt störa materialets värmeöverföringsegenskaper.

Solceller

Vertikalt inriktade periodiska arrayer av kolnanorör (CNT) används för att skapa topografiskt förbättrade ljusfångande fotovoltaiska celler. CNT:erna bildar enhetens bakre kontakt och fungerar som en ställning för att stödja den fotoaktiva heteroövergången. Molekylär strålepitaxi används för att avsätta CdTe och CdS som material av p/n-typ och jonassisterad avsättning används för att avsätta en konform beläggning av indium-tennoxid som den transparenta toppkontakten. Fotoström som produceras "per cm2 fotavtryck" för den CNT-baserade enheten är 63 gånger så stor som för en kommersiellt tillgänglig plan enkristallkiselenhet.

Transistorer

VANTAs av SWNTs med perfekt linjära geometrier är tillämpliga som högpresterande p- och n-kanalstransistorer och unipolära och komplementära logiska grindar. De utmärkta egenskaperna hos enheterna härrör direkt från en fullständig frånvaro, till inom experimentell osäkerhet, av några defekter i arrayerna, som definieras av rör eller segment av rör som är felinriktade eller har olinjära former. Det stora antalet SWNTs möjliggör utmärkta prestandaegenskaper på enhetsnivå och god enhet-till-enhet-likformighet, även med SWNT som är elektroniskt heterogena. Mätningar på p- och n-kanalstransistorer som involverar så många som cirka 2 100 SWNT:er avslöjar mobiliteter på enhetsnivå och skalad transkonduktans som närmar sig cirka 1 000 cm2 V-1 s-1 respektive $3 000 S m-1 och med strömutgångar på upp till till cirka 1 A i enheter som använder sammankopplade elektroder.

Lågdielektriskt material

Materialen med låg K och låga relativa dielektriska konstanter används som isolerande skikt i integrerade kretsar för att minska kopplingskapacitansen . Den relativa dielektricitetskonstanten för elektriskt isolerande skikt kan reduceras ytterligare genom att införa kaviteter i låg-K-materialen. Om långsträckta och orienterade porer används är det möjligt att avsevärt reducera det effektiva K-värdet utan att öka proportionen av kavitetsvolymen i ett dielektrikum. CNT i VANTA har ett högt bildförhållande och kan användas för att introducera långsträckta, orienterade porer i ett dielektrikum med låg K för att ytterligare minska det effektiva K-värdet för dielektrikumet.

Katalysatorstöd

Palladium uppburet på vertikalt inriktade flerväggiga kolnanorör (Pd/VA-CNT) används som katalysator för CC-kopplingsreaktioner av p-jodonitrobensen med styren och etylakrylat under mikrovågsbestrålning. Pd/VA-CNTs katalysator uppvisar högre aktivitet jämfört med Pd uppburen på aktivt kol, under samma reaktionsbetingelser. På grund av mikrovågsstrålningen accelereras reaktionens kinetik kraftigt jämfört med den som erhålls med ett traditionellt uppvärmningsläge. Den makroskopiska formen av inriktade CNT-stöd möjliggör en enkel återvinning av katalysatorn, vilket undviker kostsamma efterreaktionsseparationsprocesser. Dessutom leder samspelet mellan den aktiva fasen och stödet till försumbar urlakning av palladium vid återvinningstester. De observerade resultaten indikerar att Pd/CNT är ett återvinningsbart och stabilt heterogent katalytiskt system.

Bränslecell

Bränsleceller består av tre sandwichsegment: en anod , en elektrolyt och en katod , i en reaktionscell där elektricitet produceras inuti bränslecellerna genom reaktionerna mellan ett externt bränsle och en oxidant i närvaro av en elektrolyt. Anoden är värd för en katalysator som oxiderar bränslet och omvandlar bränslet till positivt laddade joner och negativt laddade elektroner. Detta bränsle är vanligtvis väte, kolväten och alkoholer. Elektrolyten blockerar transporten av elektroner samtidigt som den leder joner. Jonerna som färdas genom elektrolyten återförenas på katoden med elektronerna som passerar genom en belastning under en reaktion med ett oxidationsmedel för att producera vatten eller koldioxid. Idealiska anodstöd för avsättning av katalytiska nanopartiklar är porösa ledande material för att maximera den elektrokatalytiska aktiviteten. VANTA är därför idealiska material på grund av deras inneboende höga ledningsförmåga, höga ytarea och stabilitet i de flesta bränslecellelektrolyter. En typisk katalysator avsatt på VANTA-anoder är platina, som kan elektrolytisk avsättas på VANTA:s individuella CNT. Den elektrokatalytiska aktiviteten vid anoden är optimal när Pt-partiklarna är jämnt fördelade i VANTA.

Gong et al. rapporterade att VANTAs dopade med kväve kan fungera som en metallfri elektrod med en mycket bättre elektrokatalytisk aktivitet, långsiktig driftstabilitet och tolerans mot crossover-effekt än platina för syrereduktion i alkaliska bränsleceller. I luftmättad 0,1 molar kaliumhydroxid observerades en utgångspotential i stabilt tillstånd på –80 millivolt och en strömtäthet på 4,1 milliampere per kvadratcentimeter vid –0,22 volt, jämfört med –85 millivolt och 1,1 milliampere per kvadratcentimeter vid – 0,20 volt för en platina-kolelektrod. Inkorporeringen av elektronaccepterande kväveatomer i det konjugerade nanorörets kolplan verkar ge en relativt hög positiv laddningstäthet på intilliggande kolatomer. Denna effekt, i kombination med justering av de kvävedopade CNT:erna, ger en fyra-elektronväg för syrereduktionsreaktionerna på VANTA:er med enastående prestanda.

Superkondensatorer

Liksom vanliga kondensatorer består VANTA-superkondensatorer och elektromekaniska ställdon vanligtvis av två elektroder åtskilda av ett elektroniskt isolerande material, som är jonledande i elektrokemiska anordningar. Kapacitansen för en vanlig kondensator med platt ark beror omvänt på avståndet mellan elektroderna. Däremot beror kapacitansen för en elektrokemisk anordning på separationen mellan laddningen på elektroden och motladdningen i elektrolyten. Eftersom denna separation är ungefär en nanometer för CNTs i VANTA-elektroder, jämfört med mikrometern eller större separationer i vanliga dielektriska kondensatorer, resulterar mycket stora kapacitanser från den höga CNT-ytan som är tillgänglig för elektrolyten. Dessa kapacitanser (vanligtvis 15 - 200 F/g, beroende på ytan av nanorörsarrayen) resulterar i stora mängder laddningsinjektion när endast ett fåtal volt appliceras.

Futaba et al. rapporterade en teknik för att bilda superkondensatorer från en VANTA tillplattad genom att sätta upp de upprättstående CNT genom att väta dem med en vätska. Kapacitansen för SWNT solid EDLC uppskattades till 20 F g ^-1 från urladdningskurvorna för celler laddade vid 2,5 V för en tvåelektrodscell, och motsvarar 80 F g ^-1 för en treelektrodscell. Energitätheten (W = CV ² /2) uppskattades till 69,4 W h kg ⁻¹ (från 80 F g ⁻¹ ) när den normaliserades till en elektrodvikt.

I Pitkänen et al., demonstreras energilagring på chip med hjälp av arkitekturer av högt inriktade vertikala kolnanorör som fungerar som superkondensatorer, som kan tillhandahålla stora enhetskapacitanser. Effektiviteten hos dessa strukturer ökas ytterligare genom att införliva elektrokemiskt aktiva nanopartiklar såsom MnOx för att bilda pseudokapacitiva arkitekturer och därmed öka den områdesspecifika kapacitansen till 37 mF/cm2.

Batterier

Till skillnad från i ultrakondensatorer där elektrolytens lösningsmedel inte är involverat i laddningslagringsmekanismen, bidrar elektrolytens lösningsmedel till mellanfasen mellan fast elektrolyt och elektrolyt i batterier. Li -ion-batterierna består vanligtvis av en aktiv kolanod, en litium-koboltoxidkatod och en organisk elektrolyt. För att erhålla bättre elektrodprestanda än nätverk av slumpmässiga CNT:er och CNT-kompositer, används VANTA för att ge bättre elektrontransport och högre yta.

Nanostrukturerade material får ökad uppmärksamhet på grund av deras potential att mildra strömelektrodbegränsningar. Det är dock möjligt att använda vertikalt inriktade flerväggiga kolnanorör (VA-MWNT) som det aktiva elektrodmaterialet i litiumjonbatterier. Vid låga specifika strömmar har dessa VA-MWNTs visat höga reversibla specifika kapaciteter (upp till 782 mAh g−1 vid 57 mA g−1). Detta värde är dubbelt så mycket som det teoretiska maximivärdet för grafit och tio gånger mer än deras icke-justerade motsvarighet. Intressant nog, vid mycket höga urladdningshastigheter, behåller VA-MWNT-elektroderna en måttlig specifik kapacitet på grund av deras inriktade natur (166 mAh g−1 vid 26 A g−1). Dessa resultat tyder på att VA-MWNT är goda kandidater för litiumjonbatterielektroder som kräver hög kapacitet och kapacitet.

Framtida potential

Rymdhiss

På grund av den höga draghållfastheten och det stora sidoförhållandet för nanorör i kol är VANTA ett potentiellt tjudermaterial för Space Elevator-konceptet.

Silikonersättning i nästa generations transistorer

Kolnanorör har mycket högre bärarrörlighet än kisel och kan därför vara mycket snabbare och mer energieffektiva när de används i elektronik som en kiselersättning.

Utmaningar som hindrar kommersialisering

Det finns tre huvudproblem som förhindrar kommersialisering av kolnanorörsbaserad teknologi i bredare skala: Separering av metalliska och halvledande nanorör, högt korsningsmotstånd på grund av mycket liten kontaktyta och att placera nanorören exakt (nanometerupplösning) där de behöver gå i kretsen. Det har lagts ner mycket arbete på att minska kontaktmotståndet i nanorörsenheter i kol. Forskare vid UC Berkeley fann att tillsats av ett gränssnittsgrafitskikt under syntes minskade korsningsmotståndet. Forskare vid IBM Watson har också fäst kemiska ställningar vid nanorörets baskontaktpunkt, med en liknande effekt.