Producción de nanoestructuras de carbono con morfología controlada y sus aplicaciones

Abstract

"In this work we report the results of the synthesis and characterization of different carbon nanostructures with controlled morphology by modified chemical vapor deposition (CVD). The CVD modifiable parameters are: the precursor solution, temperature, gas flow, substrate and experimental setup. This thesis covers three projects on carbon nanostructures with controlled morphology synthesized by CVD modification. The first one involves the synthesis and characterization of nitrogen doped multi-walled carbon nanotubes (CNx) performing the modification of one of the components of the experimental arrangement in CVD, which is the exhaust zone. In the exhaust zone it is placed a container which is usually filled with acetone. In this experiment, water and aqueous solutions with different weight concentrations of NaCl were used instead acetone. The characterization of resulting material revealed highly defective CNx with morphology changes in the hollow core and presenting branches, agglomerates of nanoparticles on the walls and sharp structures. In the second project also synthesized CNx on silicon substrate; however the configuration of the exhaust zone was modified and explored both sides of the substrate. The result of this combination in the study was CNxMWCNT with pinelike morphology generated in a confined region bordered by the bottom of the substrate and the arc formed by the quartz tube, where the substrates were placed to collect the sample. It was observed that the distribution of pine-like structures depend strongly on the region confinement. Pine-like structures are formed by carbon nanotubes of varying lengths forming a microarray organized randomly. These structures exhibited good field emission properties due to its cone shaped hierarchical microstructure, composed by CNxMWCNT. The third project involved the synthesis of nitrogen doped graphite nanoribbons NxGNR. In this experiment, the precursor solution was modified. Nitrogen precursors such as pyrazine were added to the solution used to synthesize pristine graphite nanoribbons. At increasing the precursor, the morphology lost gradually its rippled structure, usually observed in GNR. Additionally, the edges formed loops, closed in different fashion: the graphitic layers tend to close adjacently, multilayered or just forming curled edges at higher pyrazine concentrations. The XPS analysis revealed that N-doping was possible substitutionally."

"En este trabajo se reportan los resultados de la síntesis y caracterización de diferentes nanoestructuras de carbono con morfología controlada mediante la modificación de los parámetros involucrados en el método deposición química de vapor (CVD): la solución precursora, temperatura, flujo de gas, arreglo experimental y sustrato. En esta tesis se abarcan tres proyectos sobre nanoestructuras de carbono con morfología controlada sintetizadas por modificación en CVD. El primero consiste en la síntesis y caracterización de nanotubos de carbono multicapa dopados con nitrógeno (CNx) con múltiples defectos, realizando la modificación del líquido usado en el burbujeador de la zona de salida: se utilizaron soluciones acuosas de NaCl a diferentes concentraciones en peso en vez de acetona (generalmente utilizada en la configuración usada). La caracterización del material resultante reveló CNx altamente defectuosos, con modificaciones en la morfología del hueco, ramificaciones, aglomerados de nanopartículas en las paredes y estructuras puntiagudas. En el segundo proyecto también se sintetizaron CNx crecidos en sustrato de silicio, modificando la configuración de la zona de salida y se exploraron las dos caras del sustrato. El resultado de esta combinación en el estudio de los parámetros fue una morfología tipo pino en los CNxMWCNT, generada en una región confinada por la parte inferior del sustrato y el arco formado por el tubo de cuarzo en donde se colocaron los sustratos para recoger la muestra. Las estructuras tipo pino están formadas por nanotubos de carbono de diferentes longitudes formando un microarreglo colocado de forma aleatoria. Estas estructuras mostraron buenas propiedades de emisión de campo gracias a su microestructura jerárquica con forma cónica compuesta por CNxMWCNT. El tercer proyecto consistió en la síntesis de nanolistones de grafito dopados con nitrógeno NxGNR. En esta ocasión se modificó la solución precursora. Se adicionaron precursores de nitrógeno como pirazina a la solución usada para sintetizar nanolistones de grafito prístinos. La morfología de los nanolistones de grafito perdió un poco su estructura corrugada, usualmente observada en los GNR. En los nanolistones dopados se observó que en sus bordes, las capas grafíticas tienden a cerrarse adyacentemente, en multicapa o simplemente se curvan a mayores concentraciones de pirazina. El análisis mediante XPS revelo que el dopaje tuvo lugar en forma grafítica o sustitucional."