This thesis investigates the fabrication and integration of nanoscale field-effect transistors based on individual semiconducting carbon nanotubes. Such devices hold great potential for integrated circuits with large integration densities that can be manufactured on glass or flexible plastic substrates. A process to fabricate arrays of individually addressable carbon-nanotube transistors has been developed, and the electrical characteristics of a large number of transistors has been measured and analyzed. A low-temperature-processed gate dielectric with a thickness of about 6 nm has been developed that allows the transistors and circuits to operate with voltages of about 1.5 V. The transistors show excellent electrical properties, including a large transconductance (up to 10 µS), a large On/Off ratio (>10^4), a steep subthreshold swing (65 mV/decade), and negligible leakage currents (~10^-13 A). For the realization of unipolar logic circuits, monolithically integrated load resistors based on high-resistance metallic carbon nanotubes or vacuum-evaporated carbon films have been developed and analyzed by four-probe and transmission line measurements. A variety of combinational logic circuits, such as inverters, NAND gates and NOR gates, as well as a sequential logic circuit based on carbon-nanotube transistors and monolithically integrated resistors have been fabricated on glass substrates and their static and dynamic characteristics have been measured. Optimized inverters operate with frequencies as high as 2 MHz and switching delay time constants as short as 12 ns. / Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Integration von Feldeffekt-Transistoren auf der Grundlage einzelner halbleitender Kohlenstoffnanoröhren. Solche Bauelemente sind zum Beispiel für die Realisierung integrierter Schaltungen mit hoher Integrationsdichte auf Glassubstraten oder auf flexiblen Kunststofffolien von Interesse. Zunächst wurde ein Herstellungsverfahren für die Anfertigung einer großen Anzahl solcher Transistoren auf Glas- oder Kunststoffsubstraten entwickelt, und deren elektrische Eigenschaften wurden gemessen und ausgewertet. Das Gate-Dielektrikum dieser Transistoren hat eine Schichtdicke von etwa 6 nm, so das die Versorgungsspannungen bei etwa 1.5 V liegen. Die Transistoren haben sehr gute elektrische Parameter, z.B. einen großen Durchgangsleitwert (bis zu 10 µS), ein großes Modulationsverhältnis (>10^4), einen steilen Unterschwellanstieg (65 mV/Dekade) und vernachlässigbar kleine Leckströme (~10^-13 A). Für die Realisierung unipolarer Logikschaltungen wurden monolithisch integrierte Lastwiderstände auf der Grundlage metallischer Kohlenstoffnanoröhren mit großem Widerstand oder mittels Vakuumabscheidung erzeugter Kohlenstoffschichten entwickelt und u. a. mittels Vierpunkt- und Transferlängen-Messungen analysiert. Eine Reihe kombinatorischer Schaltungen, z.B. Inverter, NAND-Gatter und NOR-Gatter, sowie eine sequentielle Logikschaltung wurden auf Glassubstraten hergestellt, und deren statische und dynamische Parameter wurden gemessen. Optimierte Inverter arbeiten bei Frequenzen von bis zu 2 MHz und haben Signalverzögerungen von lediglich 12 ns.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes) bieten hervorragende elektrische Eigenschaften für neuartige Feldeffekttransistoren (engl. field-effect transistors) auf engstem Raum. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften bietet eine geeignete Passivierung mit Hexamethyldisiloxan. In dieser Arbeit werden eine Flüssig- und eine Gasphasenbehandlung von Siliziumoxid-Oberflächen mit Hexamethyldisiloxan untersucht. Die Oberflächen werden dabei in wenigen Minuten hydrophobiert. Nach längeren Behandlungszeiten werden Wasserkontaktwinkel von 95° erreicht, die auch noch nach mehreren Tagen und einer Woche nachweisbar sind. In der Anwendung auf Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren (engl. carbon nanotube field-effect transistors) wird die Hysterese um durchschnittlich 30 % gesenkt. Das Ziel der Behandlung wurde damit erreicht und lässt sich auf die erfolgreiche Beseitigung von Ladungsfallen durch Adsorbate zurückführen. Zusätzlich sinkt der An-Strom um 60 %. Für gute An-Aus-Verhältnisse über mehrere Größenordnungen bedeutet das jedoch keine drastische Verschlechterung der Schalteigenschaften. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Hexamethyldisiloxan-Gasphasenbehandlung kann daher erfolgreich zur Verringerung der Hysterese in Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren eingesetzt werden.:1 Einleitung 6 2 Material und Methoden 8 2.1 Siliziumoxid-Oberflächen 8 2.2 Hexamethyldisiloxan als Passivierungsmittel 8 2.3 Flüssigphasenbehandlung 9 2.4 Gasphasenbehandlung 10 2.5 Kontaktwinkelmessung 11 3 Feldeffekttransistoren auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren 13 3.1 Kohlenstoffnanoröhren 13 3.1.1 Struktur und Nomenklatur 13 3.1.2 Elektrische Eigenschaften 14 3.2 Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren 16 3.2.1 Aufbau, Herstellung und Funktionsprinzip 16 3.2.2 Kenngrößen zur FET-Charakterisierung 17 3.2.3 IU-Messung 19 4 Ergebnisse und Auswertung 20 4.1 Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen 20 4.1.1 Referenzmessungen auf Siliziumoxidoberflächen 20 4.1.2 Flüssigphasenbehandlung 21 4.1.3 Gasphasenbehandlung 21 4.1.4 Fehlerbetrachtung 25 4.1.5 Vergleich von Flüssig- und Gasphasenbehandlung 26 4.2 HMDSO-Behandlung von CNTFETs 27 4.2.1 Ergebnisse der IU-Messungen 28 4.2.2 Fehlerbetrachtung 31 5 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick 32

Der elektrochemische Nachweis von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), zu denen Anthracen und Pyren gehören, bietet eine kostengünstigere, einfachere und schnellere alternative Analysemethode als herkömmliche Methoden wie GC und HPLC. Im Vergleich zu diesen Methoden weist er jedoch nach wie vor eine geringere Empfindlichkeit auf. Einige neuere Bemühungen haben an einem Mangel an Selektivität gelitten, entweder aufgrund der elektrodenmodifizierende Schicht mit hohem Hintergrundstrom oder der Wahl eines Leitelektrolyten, der die Detektion stört. Bei dem vorliegenden Versuch wurden Pt-Pd-Nanopartikel (NPs) und MWCNTs verwendet, um eine Glaskohlenstoffelektrode (GCE) zum empfindlichen Nachweis von Anthracen und Pyren zu modifizieren. Die verwendeten NPs wurden unter Verwendung eines wässrigen Extrakts aus Blättern von E. grandis synthetisiert, einem nachhaltigen und umweltfreundlichen Syntheseweg. Durch einer Optimierung der Mengen an Pt- und Pd-Ionen im Vorläufer wurden NPs mit einer durchschnittlichen Größe von 10 nm erhalten, wobei ein Verhältnis von 1 Pt-Ion zu 3 Pd-Ionen die kleinste Größe ergab. Durch XPS wurde festgestellt, dass die Zusammensetzung der NPs von Pt2+ und Pd0 dominiert wird. Die XRD-Analyse ergab eine kristalline Natur mit einer flächenzentriert-kubischen Struktur. Die Pt-Pd-NPs bewirkten eine Erhöhung des Spitzenstroms um 94 % für Pyren, führten jedoch zu niedrigeren Spitzenströmen für Anthracen. Wenn die NPs weiter mit MWCNTs zum Nachweis von Pyren verwendet wurden, wurde eine Spitzenstromsteigerung von etwa 200 % mit einem Dynamikbereich von 66–130 μM und einer LOD von 23 μM beobachtet. Es wurde auch festgestellt, dass der elektrochemische Prozess gemischt diffusions- und adsorptionskontrolliert ist. Aufgrund des Einflusses der Adsorption musste die Akkumulationszeit im Analyseverfahren berücksichtigt werden. MWCNTs wurden beim Nachweis von Anthracen angewendet, wobei eine Erhöhung des Spitzenstroms um 74 % und eine Verringerung des Überpotentials um 53 mV beobachtet wurde. Ein dynamischer Bereich von 50–146 µM und eine LOD von 42 µM wurden bestimmt. Niedrigere Konzentrationen wurden mit einer Leitungswasserprobe gemessen, die mit Anthracen versetzt war, hauptsächlich wegen der geringen Löslichkeit von PAK in Wasser. Der Einfluss der Säurebehandlung von MWCNTs auf den Nachweis von Anthracen und Pyren wurde ebenfalls untersucht. Die Säurebehandlung ermöglichte das Laden von mehr Material ohne Ablösen der modifizierten Schicht, was zu höheren Spitzenstromverbesserungen für Anthracen (533 %) und Pyren (448 %) führte. Für Anthracen und Pyren wurden LODs von 40 µM bzw. 14 µM bestimmt, die nur geringfügig niedriger sind als die bei MWCNTs/GCE und Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE beobachteten Werte. Der Nachweis von Anthracen wurde durch die Anwesenheit von Pyren und gewöhnlichen Ionen gestört, während die LOD für Pyren in Gegenwart von Anthracen 18 µM betrug. Es wurde festgestellt, dass die auf MWCNTs basierende elektrochemische Nachweisplattform eine bessere Reaktion auf Pyren aufweist.:Bibliographische Beschreibung i Referat i Abstract iii Zeitraum, Ort der Durchführung v Acknowledgements vi Dedication vii Table of Contents viii List of Abbreviations and Symbols xii Chapter 1 1 Introduction 1 1.1 Overview 1 1.2 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 2 1.3 Electrochemical Sensors 7 1.3.1 General Response Curve for Chemical Sensors 10 1.4 Carbon Nanotubes 13 1.5 Use of Nanoparticles in Electrochemical Detection 18 1.6 Green Synthesis of Nanoparticles and The Rationale Behind It 21 1.7 Previous Efforts in the Electrochemical Detection of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 24 1.8 Objectives of the Study 26 Chapter 2 28 Experimental 28 2.1 Chemicals 28 2.1.1 Preparation of Anthracene and Pyrene Solutions 28 2.2 Collection and Preparation of Plant Material 29 2.3 Synthesis and Preparation of Materials 29 2.3.1 Synthesis of Metallic Nanoparticles 29 2.3.2 Acid Treatment of Multi-walled Carbon Nanotubes 30 2.4 Characterization of the Nanomaterials 30 2.4.1 UV-Vis Spectrophotometry 30 2.4.2 SEM/EDX and TEM Analysis 30 2.4.3 Powder X-ray Diffractometry 31 2.4.4 XPS Analysis 31 2.5 Electrochemical Measurements 31 2.5.1 Preparation of the Bare and Modified Glassy Carbon Electrode 32 2.5.2 Characterization of the Bare and the Modified Glassy Carbon Electrode 33 2.5.3 Electrocatalytic Oxidation of Anthracene on the Bare and Modified GCEs 33 2.5.4 Electrocatalytic Oxidation of Pyrene on the Bare and Modified GCEs 34 Chapter 3 35 Synthesis, Characterization, and Application of Pt-Pd Nanoparticles in the Electrochemical Detection of Anthracene and Pyrene 35 3.1 Test for Flavonoids and Polyphenols in the E. grandis Leaves’ Extract 35 3.2 Synthesis of Nanoparticles 35 3.3 Characterization of Nanoparticles 37 3.3.1 TEM Analysis 37 3.3.2 SEM Analysis 40 3.3.3 EDX Analysis 41 3.3.4 Powder X-Ray Diffraction Analysis 45 3.3.5 XPS Analysis of Pt-Pd Particles 46 3.4 Impedance Measurements of the Bare and Nanoparticle-modified Glassy Carbon Electrode 49 3.5 Electrochemical Oxidation of Anthracene and Pyrene at the Bare and Nanoparticles-modified Glassy Carbon Electrode 51 3.6 Conclusions 53 Chapter 4 55 Pt-PdNPs/MWCNTs-Modified GCE for the Detection of Pyrene 55 4.1 Impedance Measurement with Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 55 4.2 Electrochemical Oxidation of Pyrene on Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 56 4.3 Analysis of Varying Concentrations of Pyrene on Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 59 4.4 Selectivity 61 4.5 Conclusions 62 Chapter 5 64 Exploring Multi-walled Carbon Nanotubes for the Detection of Anthracene 64 5.1 Impedance Measurement of MWCNT-Modified Glassy Carbon Electrode 64 5.2 Electrochemical Oxidation of Anthracene on MWCNT/GCE 65 5.3 Analysis of Varying Concentrations of Anthracene Using MWCNTs/GCE 68 5.4 Detection of Anthracene in Tap Water 71 5.5 Conclusions 72 Chapter 6 73 Effect of Acid Treatment of Multi-walled Carbon Nanotubes on the Detection of Anthracene and Pyrene 73 6.1 Characterization of fMWCNTs 74 6.2 Electrochemical Oxidation of Anthracene on fMWCNTs/GCE 75 6.2.1 Effect of Change in Scan Rate 76 6.2.2 Effect of Accumulation Time 77 6.2.3 Application of fMWCNTs/GCE in the Analysis of Varying Concentrations of Anthracene 77 6.3 Electrochemical Oxidation of Pyrene on fMWCNTs/GCE 79 6.4 Selectivity 82 6.4.1 Co-detection of Anthracene and Pyrene at fMWCNTs/GCE 83 6.4.2 Interference of Some Common Ions 85 6.5 Detection of Pyrene in Tapwater using fMWCNTs/GCE 86 6.6 Conclusions 87 Chapter 7 88 Summary and Outlook 88 7.1 Summary 88 7.2 Outlook 90 References 92 Selbständigkeitserklärung 101 Curriculum Vitae 102 / Electrochemical detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which include anthracene and pyrene, offers a cheaper, simpler, and faster alternative method of analysis than conventional methods like GC and HPLC. However, it still is not as sensitive as these methods. Some recent efforts have suffered from lack of selectivity, either from the electrode modifying layer having high background current or from the choice of supporting electrolyte interfering with the detection. In this work, Pt-Pd nanoparticles (NPs) and MWCNTs were used to modify a glassy carbon electrode (GCE) for sensitive detection of anthracene and pyrene. The NPs used were synthesized using an aqueous extract from E. grandis leaves, a sustainable and environmentally friendly synthetic route. NPs with an average size of 10 nm were obtained by optimizing the amounts of Pt- and Pd-ions in the precursor, with a ratio of 1:3 Pt to Pd-ions producing the smallest size. Through XPS, the composition of the NPs was established to be dominated by Pt2+ and Pd0. XRD analysis revealed a crystalline nature with a face-centered cubic structure. The Pt-Pd NPs produced 94 % enhancement in the peak current for pyrene but resulted in lower peak currents for anthracene. When the NPs were further used with MWCNTs for the detection of pyrene, about 200% peak current enhancement was observed with a dynamic range of 66–130 µM and LOD of 23 µM. The electrochemical process was also established to be mixed diffusion- and adsorption-controlled. The influence of adsorption necessitated the employment of accumulation time in the analysis procedure. MWCNTs were applied in the detection of anthracene and a 74 % peak current enhancement and a reduction in the overpotential by 53 mV were observed. A dynamic range of 50–146 µM and LOD of 42 µM were determined. Lower concentrations were recovered from a tap water sample that was spiked with anthracene, mainly because of the low solubility of PAHs in water. Effect of acid treatment of MWCNTs on the detection of anthracene and pyrene was also investigated. Acid treatment allowed for loading of more material without peeling off of the modified layer which resulted in higher peak current enhancements for anthracene (533%) and pyrene (448%). LODs of 40 µM and 14 µM were determined for anthracene and pyrene respectively, which are only slightly lower than what was observed at MWCNTs/GCE and Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE. Detection of anthracene was interfered by the presence of pyrene and common ions, while the LOD for pyrene in the presence of anthracene was 18 µM. The MWCNTs based electrochemical detection platform was found to have a better response towards pyrene.:Bibliographische Beschreibung i Referat i Abstract iii Zeitraum, Ort der Durchführung v Acknowledgements vi Dedication vii Table of Contents viii List of Abbreviations and Symbols xii Chapter 1 1 Introduction 1 1.1 Overview 1 1.2 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 2 1.3 Electrochemical Sensors 7 1.3.1 General Response Curve for Chemical Sensors 10 1.4 Carbon Nanotubes 13 1.5 Use of Nanoparticles in Electrochemical Detection 18 1.6 Green Synthesis of Nanoparticles and The Rationale Behind It 21 1.7 Previous Efforts in the Electrochemical Detection of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons 24 1.8 Objectives of the Study 26 Chapter 2 28 Experimental 28 2.1 Chemicals 28 2.1.1 Preparation of Anthracene and Pyrene Solutions 28 2.2 Collection and Preparation of Plant Material 29 2.3 Synthesis and Preparation of Materials 29 2.3.1 Synthesis of Metallic Nanoparticles 29 2.3.2 Acid Treatment of Multi-walled Carbon Nanotubes 30 2.4 Characterization of the Nanomaterials 30 2.4.1 UV-Vis Spectrophotometry 30 2.4.2 SEM/EDX and TEM Analysis 30 2.4.3 Powder X-ray Diffractometry 31 2.4.4 XPS Analysis 31 2.5 Electrochemical Measurements 31 2.5.1 Preparation of the Bare and Modified Glassy Carbon Electrode 32 2.5.2 Characterization of the Bare and the Modified Glassy Carbon Electrode 33 2.5.3 Electrocatalytic Oxidation of Anthracene on the Bare and Modified GCEs 33 2.5.4 Electrocatalytic Oxidation of Pyrene on the Bare and Modified GCEs 34 Chapter 3 35 Synthesis, Characterization, and Application of Pt-Pd Nanoparticles in the Electrochemical Detection of Anthracene and Pyrene 35 3.1 Test for Flavonoids and Polyphenols in the E. grandis Leaves’ Extract 35 3.2 Synthesis of Nanoparticles 35 3.3 Characterization of Nanoparticles 37 3.3.1 TEM Analysis 37 3.3.2 SEM Analysis 40 3.3.3 EDX Analysis 41 3.3.4 Powder X-Ray Diffraction Analysis 45 3.3.5 XPS Analysis of Pt-Pd Particles 46 3.4 Impedance Measurements of the Bare and Nanoparticle-modified Glassy Carbon Electrode 49 3.5 Electrochemical Oxidation of Anthracene and Pyrene at the Bare and Nanoparticles-modified Glassy Carbon Electrode 51 3.6 Conclusions 53 Chapter 4 55 Pt-PdNPs/MWCNTs-Modified GCE for the Detection of Pyrene 55 4.1 Impedance Measurement with Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 55 4.2 Electrochemical Oxidation of Pyrene on Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 56 4.3 Analysis of Varying Concentrations of Pyrene on Pt-PdNPs/MWCNTs/GCE 59 4.4 Selectivity 61 4.5 Conclusions 62 Chapter 5 64 Exploring Multi-walled Carbon Nanotubes for the Detection of Anthracene 64 5.1 Impedance Measurement of MWCNT-Modified Glassy Carbon Electrode 64 5.2 Electrochemical Oxidation of Anthracene on MWCNT/GCE 65 5.3 Analysis of Varying Concentrations of Anthracene Using MWCNTs/GCE 68 5.4 Detection of Anthracene in Tap Water 71 5.5 Conclusions 72 Chapter 6 73 Effect of Acid Treatment of Multi-walled Carbon Nanotubes on the Detection of Anthracene and Pyrene 73 6.1 Characterization of fMWCNTs 74 6.2 Electrochemical Oxidation of Anthracene on fMWCNTs/GCE 75 6.2.1 Effect of Change in Scan Rate 76 6.2.2 Effect of Accumulation Time 77 6.2.3 Application of fMWCNTs/GCE in the Analysis of Varying Concentrations of Anthracene 77 6.3 Electrochemical Oxidation of Pyrene on fMWCNTs/GCE 79 6.4 Selectivity 82 6.4.1 Co-detection of Anthracene and Pyrene at fMWCNTs/GCE 83 6.4.2 Interference of Some Common Ions 85 6.5 Detection of Pyrene in Tapwater using fMWCNTs/GCE 86 6.6 Conclusions 87 Chapter 7 88 Summary and Outlook 88 7.1 Summary 88 7.2 Outlook 90 References 92 Selbständigkeitserklärung 101 Curriculum Vitae 102

Carbon-based conductors like carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs) have many properties, which make them relevant for potential electronic applications. Among them are high conductances and tunable band gap sizes. These properties make CNTs and GNRs useful in many circumstances, e.g. as channel material in transistors or transparent electrodes in solar cells. Plenty of literature can be found on the topic of single linear CNTs/GNRs. Some applications however require a large network of these conductors. In addition, a single conductor has only a small impact on the network conductance, which reduces the need to control the properties of each individual nanotube/-ribbon. This leads to networks being easier to apply. In this work, the conductance of large networks of GNRs is calculated using the quantum-transport formalism (QT). This has not been done before in literature. In order to apply QT to such a large amount of atoms, the recursive Green's function formalism is used. For this the networks are devided into subcells, which are represented by tight-binding matrices. Similar networks are also examined using two different nodal analysis (NA) approaches, where the nanoribbons are treated as ohmic conductors. For NA with one-dimensional conductors, major discrepancies are found in regards to the QT model. However, networks consisting of two-dimensional conductors (NA-2D) have many properties similar to the QT networks. A recipe to approximate the QT results with NA-2D is presented.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions / Graphenbasierte Leiter wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (engl. 'carbon nanotubes', CNTs) oder Graphen-Nanobänder (engl. 'graphene nanoribbons', GNRs) haben viele Eigenschaften, die sie für potenzielle elektronische Anwendungen interessant machen. Darunter sind hohe Leitfähigkeiten und einstellbare Bandlückengrößen. Dadurch sind CNTs und GNRs in vielen Bereichen nützlich, z.B. als Kanalmaterial in Transistoren oder als transparente Elektroden in Solarzellen. Es gibt viel Literatur über einzelne, lineare CNTs/GNRs. Einige Anwendungen benötigen jedoch ein großes Netzwerk dieser Leiter. Zusätzlich hat ein einzelner Leiter wenig Einfluss auf die Leitfähigkeit des Netzwerks, wodurch die Eigenschaften der einzelnen Nanoröhrchen/-streifen weniger streng kontrolliert werden müssen. Dies führt dazu, dass es einfacher ist Netzwerke zu nutzen. In dieser Arbeit wird die Leitfähigkeit von großen GNR-Netzwerken mittels Quantentransport (QT) berechnet. Dies wurde in der Literatur noch nicht getan. Um QT auf eine so große Menge an Atomen anzuwenden wird der rekursive Greenfunktions-Formalismus benutzt. Dazu werden die Netzwerke in Unterzellen unterteilt, die durch Tight-Binding-Matrizen dargestellt werden. Ähnliche Netzwerke werden auch mit zwei Versionen der Knotenanalyse (engl. 'nodal analysis', NA) untersucht, welche die Nanobänder wie ohmische Leiter behandelt. Die Ergebnisse der NA mit eindimensionalen Leitern weisen deutliche Unterschiede zu den mit QT erzielten Ergebnissen auf. Wenn jedoch zweidimensionale Leiter in NA verwendet werden (NA-2D) gibt es viele parallelen zu den QT Ergebnissen. Zuletzt wird ein Vorgehen präsentiert, mit dem QT Resultate durch NA-2D Rechnungen genähert werden können.:1. Introduction 2. Theoretical Principles 2.1 Carbon-based Conductors 2.1.1 Structure and Properties 2.1.2 Networks 2.2 Tight-Binding Model 2.3 Quantum Transport 2.3.1 Introduction 2.3.2 Level Broadening 2.3.3 Current Flow 2.3.4 Transmission 2.4 Nodal Analysis 3. Implementation 3.1 Quantum Tranport 3.1.1 Network Generation 3.1.2 Density-Functional based Tight-Binding Method 3.1.3 Recursive Green's Function Algorithm 3.1.4 Conductance 3.2 Nodal Analysis 3.2.1 One-dimensional Conductors 3.2.2 Two-dimensional Conductors 4. Results 4.1 Quantum Transport 4.1.1 Band Structures and Fermi Energies 4.1.2 Ideal Transmission and Consistency Tests 4.1.3 Percolation 4.1.4 Transmission 4.1.5 Conductance 4.1.6 Power Law Scaling 4.1.7 Size Dependence and Confinement Effects 4.1.8 Calculation Time 4.2 Nodal Analysis 4.2.1 One-dimensional Conductors 4.2.2 Two-dimensional Conductors 4.2.3 Calculation Time 4.3 Approximating QT with NA 4.3.1 Optimal Parameters 4.3.2 Percolation 4.3.3 Conductance 4.3.4 Power Law Scaling 5. Conclusions

For biomedical electronics the compatibility to the biological environment should be well-considered. Therefore this paper evaluates dispensed carbon nanotubes (CNT's) on polyimide (PI) foil for conductive tracks and electrodes for flexible, biomedical applications. A CNT based ink is investigated regarding biocompatibility, flexibility, conductivity and suitability for electrode materials with contact to artificial body fluids. The testing methods comprise bending tests with resistance monitoring, adhesion tests and the utilization of dynamic fluidic and electrical load on dispensed structures. The CNT ink showed good bending properties up to 2653 cycles with an average sheet resistance of 32.5 Ohm/sq. A demonstration of biocompatibility using the adherent cell line HFFF2 resulted negatively. No delamination or dissolving effects occurred during exposure to 0.9 % sodium chloride solution.

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were decorated with metal nanoparticles. Using a complementary analysis with spatially resolved micro-Raman spectroscopy, high resolution transmission electron microscopy, electron diffraction, and tip-enhanced Raman spectroscopy, we show that the SWCNTs form bundles in which smaller diameter SWCNTs are the ones preferentially affected by the presence of Au and Ag nanoparticles. This result is exploited to evaluate the structural organization of SWCNTs with mixed chiralities in bundles, leading us to postulate that smaller diameter SWCNTs surround larger ones. We found that this effect occurs for very distinct scenarios including SWCNTs both in nanometer thin films and in field effect transistor configurations at the wafer-level, suggesting a universal phenomenon for SWCNTs deposited from dispersions. / Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) wurden mit Metallnanopartikeln dekoriert. Nach Anwendung von ortsauflösender Raman-Mikroskopie und -Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wird festgestellt, dass sich aus den SWCNTs fasrige Bündel formen, wobei die analytischen Signaturen der SWCNTs mit kleinerem Durchmesser stärker von der Präsenz der Gold- und Silbernanopartikel beeinflusst werden als die der größeren. Dieses Resultat kann damit erklärt werden, dass in der Struktur solcher Bündel SWCNTs mit kleinerem Durchmesser außen und SWCNTs mit größerem Durchmesser innen zu liegen kommen. Wir konnten diesen Effekt für verschiedene Szenarien nachweisen: i) für SWCNTs in nanometerdünnen ungeordneten Filmen und ii) für SWCNTs, ausgerichtet zwischen Elektroden in der Geometrie eines Feldeffekttransistors. Diese Feststellung legt nahe, dass es sich um ein universelles Phänomen für aus flüssigen Dispersionen abgeschiedene SWCNTs handelt. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The carbon nanotube-based field effect transistor (CNTFET) possesses the potential to overcome limitations of state-of-the-art technologies such as silicon-based complementary metal-oxide-semiconductors. However, the carbon nanotube (CNT) technology is still at its infancy and technology development is still necessary to exploit the CNT properties such as high charge carrier mobility, high current carrying capability, one-dimensional charge transport and their versatile integrability. Within this work significant progress has been achieved scientifically and technologically in the advance of high frequency (HF) CNTFETs for analog applications. According to simulations by others, a technology flow has been developed based on electron beam lithography for bottom gated HF CNTFETs which outperform state-of the art top gate architectures with respect to their parasitic capacitances. Moreover, the impact of electrostatic doping on the CNTFETs has been investigated. In particular, the dynamics of water desorption from the CNTFETs and the related reduction of p-type doping was investigated and the different impact of the n-type dopant polyethylenimine onto the channel region and contact region could be separated for the first time. Furthermore, the impact of doped CNT bundles on the device performance has been studied. It could be shown in detail for the first time, that high off-state source-drain leakage currents can be due to bundled semiconducting CNTs and does not necessarily imply the presence of metallic CNTs. The within the framework of this thesis designed and realized HF CNTFETs are operating in the GHz range with cut-off frequencies up to 14 GHz and maximum frequencies of oscillation up to 6 GHz at a channel length of 280 nm. Moreover, the impact of the spacer between the source-/ drain- to the gate electrode on the HF properties of the CNTFETs has been investigated experimentally for the first time. Simulations by others have successfully confirmed that a symmetrical reduction of the source to gate electrode spacer results in an increased device speed. By asymmetrically reducing the source to gate electrode spacer and in parallel increasing the drain-to-gate electrode spacer the device speed can be further enhanced. Moreover, within this work it has been experimentally indicated for the first time that the device properties of HF CNTFETs can be tuned by different device geometries towards either highest linearity or speed.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann. / In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Transporteigenschaften defektbehafteter Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs). Als Beispiel werden dabei einfache und doppelte Fehlstellen betrachtet. Der Fokus liegt auf der Berechnung des Transmissionsspektrums und der Leitfähigkeit mit einem schnellen, linear skalierenden rekursiven Greenfunktions-Formalismus, mit dem große Systeme quantenmechanisch behandelt werden können. Als Grundlage wird ein dichtefunktionalbasiertes Tight-Binding-Modell verwendet. Der Einfluss der Defektdichte und des CNT-Durchmessers wird im Rahmen einer statistischen Analyse untersucht. Es wird gezeigt, dass im Grenzfall kleiner Transmission die Leitfähigkeit exponentiell mit der Defektanzahl skaliert. Das System befindet sich im Regime starker Lokalisierung, wobei die Lokalisierungslänge von der Defektdichte und dem CNT-Durchmesser abhängt.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.