Rare chiralities of single-walled carbon nanotubes

Abstract

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) zeigen bemerkenswerte elektronische und optische Eigenschaften aufgrund ihrer einzigartigen hohlen zylindrischen Struktur, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für verschiedene Anwendungen macht. Ihre geometrische Struktur bestimmt die elektronische Bandkonfiguration und erzeugt unterschiedliche optische Übergangsenergieen selbst zwischen Nanoröhren ähnlicher Durchmesser. Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, um einzelne Chiralitäten aus den heterogenen synthetisierten Materialien zu isolieren und zu extrahieren sowie ihre intrinsischen optischen Eigenschaften experimentell zu beobachten, da die Anwesenheit mehrerer Spezies in einer Suspension spektrale Überlappung und Fluoreszenzlöschung in der optischen Antwort verursacht. Trotz der enormen Fortschritte in Sortierverfahren bleiben Limitierungen wie Selektivität, Reinheit und Extraktionsbreite weiterhin zu lösende Probleme, welche üblicherweise die Kosten und Effizienz des Trennprozesses beeinträchtigen. Die ersten Kapitel der Dissertation konzentrieren sich auf den Aufbau des Hintergrunds bezüglich SWCNTs und bieten einen breiten Überblick über die potenziellen Durchbrüche in der Nanotechnologie unter Verwendung von SWCNTs und anderen kohlenstoffbasierten Nanomaterialien. Fundamentale Aspekte sowie ihr potenzieller Einfluss auf die Industrie werden diskutiert. Besonderer Schwerpunkt wurde auf den aktuellen Stand der Nanotube Synthese gelegt, wobei die Fortschritte in der Kontrolle der Durchmesserverteilung und -größe hervorgehoben werden. Die am besten entwickelten Methodologien für die Trennung von Nanoröhren nach ihrem metallischen Charakter und nach ihrer Chiralität, einschließlich der Unterscheidung nach Händigkeit, werden ausführlich dargestellt. Die optischen Spektroskopieverfahren, die am besten für das Studium von SWCNTs und durchmesserabhängigen spektralen Fingerabdrücken geeignet sind, schließen diese Kapitel ab. Ab Kapitel 4 konzentriere ich mich auf die spezifischen Verfahren, die während dieser Doktorarbeit verwendet wurden, und die erzielten Ergebnisse. Eine Erklärung der automatisierten Methode, die für die Sortierung von Spezies mit niedrigem Chiralwinkel und ähnlichen Durchmessern vorgeschlagen wurde, wird vorgestellt. Die Effektivität des Sortierverfahrens hinsichtlich Reinheit und Extraktionsbreite im Vergleich zur berichteten Literatur wird ausführlich diskutiert. Ein durchmesserabhängiger Einfluss auf die optischen spektralen Fingerabdrücke wurde mittels Resonanz-Raman-Spektroskopie beobachtet. Ein wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeit war die Suche nach Enantiomerenpaaren mit niedrigem Chiral winkel durch Einzelgelsäulenadsorption. Die extrahierten einzelnen Chiralitäten wurden mittels Circulardichroismus zusätzlich zu den anderen oben erwähnten optischen Spektroskopieverfahren untersucht. Darüber hinaus wird die Verwendung von Tensiden in den Verarbeitungsverfahren und ihr Einfluss auf die lokalen dielektrischen Umgebungen aufgezeigt und analysiert. Abschließend stelle ich einen Ansatz zur Reinigung der aus den Sortierverfahren stammenden Tensid- und Gelrückstände vor, mit dem Ziel, die intrinsischen optischen Eigenschaften der Nanoröhren wiederherzustellen. Zusätzlich wurden sortierte Nanoröhren in einer Silicamatrix immobilisiert für die Analyse verschiedener lokaler dielektrischer Umgebungen und ihrer Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften von Nanoröhren. Diese Forschung trägt sowohl zu einem fundamentalen Verständnis der SWCNTEigenschaften als auch zu Anwendbarkeitsherausforderungen bei, indem sie eine großskalige Produktion reiner Nanoröhren einzelner Chiralität ermöglicht und sekundäre Effekte nach der Probenbehandlung untersucht sowie Alternativen zur Erhaltung ihrer intrinsischen Eigenschaften vorschlägt.