Kohlenstoffnanoröhren besitzen eine Reihe von einzigartigen strukturellen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften. Sie können in Abhängigkeit von der Chiralität metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen, hohe mechanische, thermische und chemische Stabilität aufweisen, können chemisch funktionalisiert werden und sind hervorragende Elektronenemitter. Vor dem Hintergrund dieser vielversprechenden Eigenschaften wurde schnell die Frage von möglichen technischen Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren gestellt. Vor einer umfassenden kommerziellen Umsetzung sind allerdings noch grundlegende Untersuchungen, sowohl zu den Eigenschaften als auch zu einer gezielten Herstellung und Manipulation, erforderlich. Der Mechanismus des gerichteten Wachstums der Kohlenstoffnanoröhren ist äußerst komplex, weshalb er bis heute nicht völlig aufgeklärt werden konnte. Der Grund liegt in der Vielfalt der möglichen Reaktionen zwischen den Molekülen in der Gasphase, der Wechselwirkung zwischen Gasphase und verwendeten Unterlagen und den Reaktionsmechanismen auf diesen Substratoberflächen. Bislang fehlt es an einem einheitlichen Verständnis des Entstehungsprozesses von Kohlenstoffnanoröhren bzw. –nanostrukturen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Abscheidung von Kohlenstoffnanostrukturen mittels plasmaaktivierter und hitzdrahtgestützter chemischen Gasphasenabscheidung -„Plasma enhanced hot filament chemical vapor deposition“ (PE-HF-CVD). Es sollen Abscheidungsbedingungen für die Synthese von unterschiedlichen Kohlenstoffnanostrukturen gefunden und optimiert werden. Die Darstellung und Charakterisierung von „phasenreinen“, mehrwandigen, tubularen Röhren auf unterschiedlichen metallbeschichteten Substraten steht im Vordergrund der Arbeit. Das Interesse besteht in einer Abscheidung bei niedrigen Substrattemperaturen, damit temperaturempfindliche Werkstoffe wie z.B. Glas, als Substratmaterialien eingesetzt werden können. Mittels der PE-HF-CVD Methode, die als vielversprechende Technologie zur Darstellung gerichteter Kohlenstoffnanoröhren gilt, sollen Erkenntnisse zum Einfluss einzelner Abscheidungsparameter auf den Wachstumsprozess von Nanoröhren gewonnen werden, wozu auch die plasmadiagnostische Langmuirsondentechnik und die optische Emissionsspektroskopie (OES) eingesetzt werden. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen inneren Plasmaparametern und Wachstumsprozessen der Kohlenstoffnanoröhren oder –fasern definiert werden, um eine Prozesskontrolle während der Abscheidungsphase zu ermöglichen.

Die Modifizierung von Carbon Black Partikeln und multi-walled Carbon Nanotubes mit Poly(vinylformamid-co-vinylamin) wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert untersucht, um primäre Aminogruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffspezies einzuführen. Mit einer anschließenden Pfropfreaktion der Aminogruppen tragenden Nanotubes mit Maleinsäureanhydrid-Copolymeren sind eine Vereinzelung und ein Stabilisieren der der Carbon Nanotubes möglich. Durch eine Auswahl an Maleinsäureanhydrid-Copolymeren war nach einer Funktionalisierung der mit PVFA-co-PVAm beschichteten Carbon Nanotubes die Änderung der Oberflächeneigenschatften von hydrophil bis hin zu ultrahydrophob möglich. Die Charakterisierung der Partikel und Nanotubes erfolgte mit Hilfe der Elementaranalyse, BET-Untersuchungen, XPS, Kontaktwinkelmessungen, TGA-Untersuchungen, elektrokinetischer Messungen und REM-Aufnahmen.

Die hier vorgelegte Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung von Wasserstoffsorptionsphänomenen an Kohlenstoffmodifikationen, welche in der Literatur kontrovers diskutiert werden. Ziel war, die publizierten Ergebnisse nachzuvollziehen, die Phänomene zu erklären und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen herzustellen. Dabei wurde zum Einen die Sorption von Wasserstoff an Graphit-Nano-Fasern und zum Andern die Sorption von Wasserstoff an alkalisalzdotiertem Graphit untersucht. Es konnte mit der vorliegenden Arbeit zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass die zunächst publizierten Ergebnisse zur Wasserstoffspeicherung in Graphit-Nano-Fasern in keiner Weise realisierbar sind. Es wurde jedoch im Rahmen dieser Arbeit eine ungewöhnliche Sorptionscharakteristik der Graphit-Nano-Fasern gefunden. Des weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit festgestellt, dass die von Chen et. al. publizierten Ergebnisse zur Wasserstoffspeicherung an Lithium dotiertem Graphit zum großen Teil auf eine Reaktion mit Feuchtigkeit zurückzuführen sind. Jedoch konnte weiterhin eine deutliche Massenzunahme mit gereinigtem Wasserstoff nachgewiesen werden. Es ist anzunehmen, dass dieses Verhalten mit den insitu gefundenen neuen Phasen der Proben zusammen hängt.

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.

Self-propelled microjet engines (microbots) can transport multiple cells into specific locations in a fluid. The motion is externally controlled by a magnetic field which allows to selectively load, transport and deliver the cells. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Since the rediscovery of carbon nanotubes (CNTs) due to the publication of Sumio Iijima's article Helical microtubules of graphitic carbon in the magazine Nature in 1991 the interest in carbon nanotubes has rapidly increased. This bachelor thesis also deals with this popular material with the aim to functionalize CNTs for further uses in the microelectronic industry. A promising approach is the functionalization of the CNTs with metal nanoparticles or metal films. To achieve this, one can perform an atomic layer deposition (ALD) on CNTs. In the present work the Trimethylaluminum (TMA) ALD is the chosen process for the functionalization of the CNTs, which will be studied here. Since the available knowledge on the CNT-functionalization by gas phase reactions is very limited, a theoretical study of possible reaction pathways is necessary. Those studies are carried out with two modern quantumchemical programs, Turbomole and DMol³, which are described together with an introduction into Density Functional Theory, as well as an introduction of CNTs and the ALD process. A basic model of a CNT with a Single Vacancy defect, which had been selected according to the demands of the studies, is introduced. Because the TMA ALD process requires hydroxyl groups as its starting point, not only is the performance of a TMA ALD cycle on a CNT studied, but also reactions which result in the CNTs owning of hydroxyl groups. Consequently, this bachelor thesis will focus on two di erent aspects: The performance of one TMA ALD cycle and the study of possible educts for the TMA ALD process. This study of the educts includes possible structures which can be formed when a CNT comes into contact with air.

In this thesis, bulk and local scale spectroscopic and microscopic tools have been applied to investigate the purified raw material of SWCNT and synthesized MWBNNT, BN-nanocapsules, B-doped SWCNT and SiC nanostructures. Using bulk scale sensitive techniques, including optical absorption spectroscopy, Raman spectroscopy, high-resolution electron energy-loss spectroscopy, the average response of the whole sample is obtained. On the other hand, on a local scale transmission and scanning electron microscopy as well as TEM-electron energy-loss spectroscopy provide information on single tubes or other nanostructures. First, diverse chemical and oxidation methods for the purification of as-produced SWCNT were presented. Purified samples were investigated using TEM and OAS. The analysis of the optical absorption spectra in the UV-Vis energy range revealed that some of the chemical treatments are harmful to nanotubes. In contrast to the chemical treatments an oxygen burning procedure was used on the raw material in high vacuum and a temperature range 450?650oC. The purification processes of SWCNT by HNO3 and oxygen burning procedures resulted in SWCNT comprised of selected diameters and a reduced diameter distribution. Both HNO3 and oxygen burning treatments can be used to selectively remove SWCNT with smaller diameters from the samples. In addition, an adapted substitution reaction was used for the synthesis of multiwall boron nitride nanotubes. It was shown that the IR-response of MWBNNT can be used as a fingerprint to analyse MWBNNT. As in h-BN for the analysis one has to be aware of the sample texture and the LO-TO splitting of the IR-active modes. TEM images and B1s and N 1s excitation edges of the grown material reveal the presence of multiwall BN nanotubes with an inner diameter of 3.1 nm and with a larger interplanar distance than in h-BN. The electronic properties of the multiwall BN nanotubes as derived from the q-dependent dielectric function e(w,q) are dominated by the band structure of the hexagonal-like BN sheets, as revealed by the large degree of momentum dispersion observed for the p and s+p plasmons, in agreement with that previously reported for different graphitic allotropic forms. Moreover, a fast and highly efficient synthesis route to produce BN nanocapsules with a narrow size distribution was developed. This was achieved by an adapted substitution process using SWCNT as templates followed by a rapid cooling treatment. The IR responses reveal the strong dipole active fingerprint lines of h-BN with distinct differences, which are due to texturing effects and which highlight the BN nanocapsules potential application as a reference source when deriving the sp2 to sp3 ratio in BN species due to their random orientation Furthermore, the idea of substitution was used for the systematic studies of B-doped SWCNT. The experiments carried out have resulted in 1, 5, 10, and 15 % boron incorporated into the single wall carbon nanotubes. Core level excitation spectroscopy of the B1s and C1s edges revealed that the boron atoms substitute carbon atoms in the tube lattice keeping an sp2-like bond with their nearest C neighbour atoms. Our results show that a simple rigid band model as has been applied previously to intercalated SWCNT is not sufficient to explain the changes in the electronic properties of highly doped B-SWCNT and a new type of a highly defective BC3 SWNT with new electronic properties is obtained. Finally, different silicon carbide nanostructures were produced. The spectroscopic and microscopic data led to a good understanding of the formation process. NH3 acts as a source of hydrogen that plays a key role in the formation of the structures through its ability to decompose SiC at high temperature such that along with the stacking faults that arise from the many polytypes of SiC the produced SiC nanorods become porous then hollow and eventually are completely decomposed.

Eine Reihe wichtiger Wachstums- und Integrationsaspekte von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeit lag dabei hauptsächlich bei einschaligen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT). Das große Potential dieser Nanoröhren für Transistor-Anwendungen wurde durch die Herstellung einer Vielzahl funktionierender Bauelemente aus diesen Kohlenstoffnanoröhren mittels relativ einfacher Herstellungsprozesse demonstriert. Ein fundiertes Verständnis für die Abhängigkeiten des Nanoröhrenwachstums von einer Vielzahl an Parametern wurde mit Hilfe mehrerer tausend Wachstumsexperimente gesammelt. Verschiedene Katalysatormetalle, Kohlenstoffquellen und Katalysatorunterlagen wurden detailliert untersucht. Ein Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine Reduzierung der Wachstumstemperatur gerichtet. Die niedrige Wachstumstemperatur spielt eine große Rolle für eine möglichst hohe Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren der Silizium-Halbleitertechnik. Ein einfaches phänomenologisches Wachstumsmodell wurde für die Synthese von Nanoröhren mittels katalytisch-chemischer Gasphasen-Abscheidung (CCVD) formuliert. Dieses Modell basiert hauptsächlich auf der Oberflächendiffusion von adsorbierten Kohlenstoffverbindungen entlang der Seitenwände der Nanoröhren sowie auf der Oberfläche der Katalysatorunterlage. Das Modell ist eine wichtige Ergänzung zu dem VLS-Mechanismus. Ein Wachstumsverfahren zur Herstellung von Nanoröhren für niedrigere Temperaturen bis zu 600 °C wurde entwickelt. Experimentell wurde nachgewiesen, dass der Durchmesser des Katalysatorteilchens fast ausschließlich bestimmt, wie viele Schalen eine wachsende Nanoröhre bei geeigneten Wachstumsbedingungen hat. Es wurde zum ersten Mal gezeigt, dass einschalige Kohlenstoffnanoröhren auf Metallelektroden wachsen werden können, insofern eine dünne Aluminiumschicht als Trennschicht verwendet wird. Dadurch können in-situ kontaktierte Nanoröhren einfach hergestellt werden, was deren elektrische Charakterisierung weitaus erleichtert. Mittels stromloser Abscheidung von Nickel oder Palladium aus einer Lösung konnte eine deutliche Verbesserung der Kontaktwiderstände der in-situ-kontaktierten Nanoröhren erreicht werden. Durch Einbettung von Nanoröhren in eine Tantaloxidschicht konnten Transistoren mit einem Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante hergestellt werden. Die Tantaloxidschicht wurde mit einem neu entwickelten Tauchprozess abgeschieden. Erstmalig wurden Transistoren basierend auf Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die relativ hohe Ströme (Milliampere) mit einer Modulation bis zu einem Faktor 500 schalten können. Diese Transistoren beruhen auf einer Parallelschaltung einer großen Anzahl an Nanoröhren. Mit Hilfe der hergestellten Transistoren konnten die Eigenschaften einer großen Zahl von Nanoröhren untersucht werden, wobei große Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften von metallischen Nanoröhren, halbleitenden Nanoröhren und Nanoröhren mit einer kleinen Bandlücke beobachtet wurden. / A number of very important growth and integration aspects of carbon nanotubes have been investigated during the course of this thesis. The focus was mainly on single-walled carbon nanotubes. Their potential for transistor applications was demonstrated by the successful fabrication of a variety of devices using rather simple processes. A detailed understanding of the dependence of SWCNT growth on a variety of parameters was obtained as the result of several thousand growth experiments. Various catalyst materials, gaseous carbon sources, and catalyst supports have been investigated. Special attention was paid to a considerable reduction of the growth temperature. A simple phenomenological growth model could be derived for CCVD of SWCNTs taking into account a number of effects observed during the various growth experiments. The model presented is mainly based on the surface diffusion of carbon species along the sidewalls of the carbon nanotubes or on the catalyst support and is an addition to the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. Growth methods for the CCVD synthesis of SWCNTs were developed for temperatures as low as 600 °C. It has been found that the size of the catalyst particle alone determines whether a SWCNT, DWCNT, or MWCNT will nucleate from a specific particle under suitable growth conditions. It could be demonstrated for the first time that SWCNTs can be grown on a variety of conducting materials if the catalyst is separated from the electrode by a thin Al layer. In-situ contacted SWCNTs can be easily obtained that way, largely facilitating the electronic characterization of as-grown SWCNTs. A tremendous improvement of the contacts of in-situ contacted SWCNTs could be achieved by electroless deposition. SWCNT growth on appropriate electrodes allowed the encapsulation of the nanotubes by electroless deposition of Ni and Pd, yielding good and reliable contacts. SWCNT transistors with a high-k dielectric could be fabricated by encapsulation of the nanotube with a tantalum oxide layer. The tantalum oxide was deposited by a newly developed dip-coat process. High-current SWCNT transistors consisting of a large number of SWCNTs in parallel were demonstrated for the first time during this work. Finally, the properties of a large number of CCVD grown SWCNTs have been investigated by electronic transport measurement. Large differences in the electronic transport have been observed for metallic, small band gap semiconducting (SGS), and semiconducting SWCNTs with small diameters.

Self-propelled microjet engines (microbots) can transport multiple cells into specific locations in a fluid. The motion is externally controlled by a magnetic field which allows to selectively load, transport and deliver the cells. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Berechnung des diffusiven elektronischen Transportes durch Kohlenstoffnanoröhrchen-Feldeffekttransistoren (CNTFETs) unter Verwendung des Drift-Diffusions-Modells. Als Grundlage dient ein bekannter, eindimensionaler Algorithmus für klassische Halbleiter, durch welchen das elektrostatische Potential im stationären Zustand berechnet werden kann. Dieser Algorithmus wird erweitert, um die geometrischen und physikalischen Besonderheiten von CNTFETs, insbesondere die Quasi-Eindimensionalität, zu berücksichtigen. Wichtige Kenngrößen des CNTFETs werden berechnet und deren Abhängigkeit von den Bauteilparametern wird untersucht.:1. Einleitung 2. Theoretische Betrachtungen 2.1. Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1.1. Graphen als Baustein für CNTs 2.1.2. Eigenschaften von CNTs 2.2. Drift-Diffusions-Modell 2.2.1. Drift-Diffusions-Gleichungen 2.2.2. Kontinuitätsgleichungen 2.2.3. Poisson-Gleichung 3. Implementierung 3.1. Modell für klassische Halbleiter 3.1.1. Herleitung der dimensionslosen Bewegungsgleichungen 3.1.2. Umformung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.1.3. Iterative Lösung des Gleichungssystems 3.2. Anwendung des Modells auf Kohlenstoffnanoröhrchen 3.2.1. Betrachtetes Modell 3.2.2. Separationsansatz und Poisson-Gleichung 3.2.3. Anpassung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.2.4. Gate-Spannung 3.2.5. Intrinsische Ladungsträgerdichte und Ladungsträgerrandbedingungen 3.2.6. Dielektrizität 3.3. Numerik 3.3.1. Berechnung der Ladungsträgerdichten 3.3.2. Lösung der Poisson-Gleichung 3.3.3. Iterative Veränderung von Parameterwerten 3.3.4. Überprüfung der Konvergenz des Gitters 4. Auswertung 4.1. Literaturmodelle 4.2. Ergebnisse 4.2.1. Potentialverlauf 4.2.2. Potentialplateau 4.2.3. Abschirmlänge 4.2.4. Stromfluss 4.2.5. Rechenzeit 5. Zusammenfassung Anhang A. Herleitung der Drift-Diffusions-Gleichungen aus der Boltzmann-Transportgleichung B. Herleitung der eindimensionalen Poisson-Gleichung aus dem Separationsansatz