The following is the accepted manuscript of the original article: Marcel Melzer, Thomas Waechtler, Steve Müller, Holger Fiedler, Sascha Hermann, Raul D. Rodriguez, Alexander Villabona, Andrea Sendzik, Robert Mothes, Stefan E. Schulz, Dietrich R.T. Zahn, Michael Hietschold, Heinrich Lang and Thomas Gessner “Copper oxide atomic layer deposition on thermally pretreated multi-walled carbon nanotubes for interconnect applications”, Microelectron. Eng. 107, 223-228 (2013). Digital Object Identifier: 10.1016/j.mee.2012.10.026 Available via http://www.sciencedirect.com or http://dx.doi.org/10.1016/j.mee.2012.10.026 © 2013 Elsevier B.V. Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that a decoration of the CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu can enhance the performance of CNT-based interconnects. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu(I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C. This paper focuses on different thermal in-situ pre-treatments of the CNTs with O2, H2O and wet O2 at temperatures up to 300°C prior to the ALD process. Analyses by transmission electron microscopy show that in most cases the CuxO forms particles on the multi-walled CNTs (MWCNTs). This behavior can be explained by the low affinity of Cu to form carbides. Nevertheless, also the formation of areas with rather layer-like growth was observed in case of an oxidation with wet O2 at 300°C. This growth mode indicates the partial destruction of the MWCNT surface. However, the damages introduced into the MWCNTs during the pre treatment are too low to be detected by Raman spectroscopy.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs) sind Dank ihrer außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Mikroelektronik. Ihre ballistischen Transporteigenschaften und die geringe Anfälligkeit auf Elektromigration sind vorteilhaft für die Anwendung von CNTs in Interconnectsystemen. Die Abhängigkeit der elektrischen Transporteigenschaften von mechanischer Verformung bildet weiterhin die Grundlage für die Produktion neuartiger Sensoren auf CNT-Basis. Durch die Besetzung mit Adatomen können diese Eigenschaften dabei weiter verbessert und bei der Herstellung gezielt eingestellt werden. Die Verformung besetzter CNTs ist dabei ein noch relativ unerforschtes Gebiet. In dieser Arbeit wird dieses Verhalten untersucht. Zu Beginn wird gezeigt, dass die Eigenschaften von CNTs durch die Besetzung mit verschiedenen Metallen auf unterschiedliche Weise beeinflusst werden können. Dazu gehören auch Unterschiede zwischen den Spinzuständen, welche bei einigen der untersuchten Metalle auftreten. Durch die axiale Verformung der CNTs wird abschließend gezeigt, dass die Sensoreigenschaften von CNTs auch nach der Besetzung mit Metallen erhalten bleiben.

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.

Carbon nanotubes (CNTs) are a highly promising material for future interconnects. It is expected that the decoration of CNTs with Cu particles or also the filling of the interspaces between the CNTs with Cu instead of the currently used SiO2 can enhance the performance of CNT-based interconnects. Due to the high aspect ratio of CNTs an appropriate deposition technique has to be applied which is able to coat such structures uniformly. The current work is therefore considered with thermal atomic layer deposition (ALD) of CuxO from the liquid Cu (I) β-diketonate precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] and wet oxygen at 135°C on variously pretreated multi-walled CNTs. The different in-situ pre-treatments of the CNTs with oxygen, water vapor and wet oxygen in a temperature range from 100 to 300°C at a pressure of 1.33 mbar have been carried out prior to the ALD to enable uniform nucleation on the otherwise chemical inert CNT surface. The reduction of the CuxO as well as the filling of the space between the CNTs is not part of this work. Variations of the oxidation temperature as well as the oxidation agents resulted in different growth modes of the CuxO. An oxidation with wet oxygen at 300°C yielded in a partially layer like growth of the CuxO. It is expected that this growth mode is connected to a partial destruction of the outer CNT shell due to the oxidation. However, the damage introduced to the CNTs was not high enough to be detected by Raman spectroscopy. For all other investigated pretreatments, the formation of nanoparticles (NPs) was observed by electron microscopy. This formation of CuxO NPs can be explained by the metal-tube-interaction. Furthermore, the NPs probably decorate defect sites of the CNTs due to their higher reactivity. Additionally, analysis of energy-dispersive X-ray spectroscopy and spectroscopic ellipsometry measurements suggests that the used precursor [(nBu3P)2Cu(acac)] requires reactive oxygen surface groups for initiating the ALD growth. The observation of layer-like growth of CuxO on CNTs pretreated with wet oxygen at 300°C appears promising for deposition processes of Cu seed layers on CNTs. However, more aggressive pretreatments at higher temperatures or with more aggressive oxidation agents could be required to enable layer like growth on the entire CNTs.

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.

Ab initio calculations of the electronic structure of freestanding Cu and Na nanowires with a diameter of few atoms are presented. The calculations are based on density functional theory in local density approximation using a Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Green's function method. The method was extended for the description of quasi-onedimensional systems. Translational invariance in direction of the wire is assumed. The dependence of the bandstructure and the density of states from thickness and shape of the cross-section is discussed. The quantum confinement of the eigenstates is analysed. By comparing the results of the Na and Cu wires, the influence of the d-electrons is shown. Based on the Landauer theory of transport the conductance is obtained within a Green's function formalism. The numerical description of the conductance is tested for ideal translationally invariant Na and Cu wires. The influence of substitutional transition metal impurities on the electronic structure and the conductance of the 2x2 Cu wire is studied. A spin-dependent discussion is given for magnetic impurities. / Es werden ab initio Berechnungen der elektronischen Struktur freistehender Na- und Cu-Nanodrähte mit einem Durchmesser von wenigen Atomen präsentiert. Für die Berechnung wird eine Screened Korringa-Kohn-Rostoker-Grennsche Funktionsmethode genutzt, die auf der Spindichtefunktionaltheorie in lokaler-Spindichtenäherung basiert. Diese Methode wurde für die Beschreibung von quasieindimensionalen Systemen erweitert. Die Drähte werden als translationsinvariant in Drahtrichtung beschrieben. Es wird die Abhängigkeit der Bandstruktur und der Zustandsdichte von der Dicke und der Form des Querschnitts diskutiert. Das Quantenconfinement der Eigenzustände wird analysiert. Durch den Vergleich der Resultate für den Na- und den Cu-Draht kann der Einfluss der d-Elektronen gezeigt werden. Ausgehend von der Landauer-Theorie des Transports wird der Leitwert im Rahmen eines Greenschen Funktions-Formalismus berechnet. Diese neue numerische Beschreibung des Leitwertes wird an idealen translationsinvarianten Drähten getestet. Es wird der Einfluss von substitutionellen 3d-Übergangsmetall-Störungen auf die elektronische Struktur und auf den Leitwert von 2x2-Cu-Drähten studiert. Im Fall magnetischer Defekte wird dieser Einfluss spinabhängig diskutiert.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

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