Effects of functionalization and doping in carbon nanotubes for fabricating field effect transistors and cluster-nanotube systems: theory and experiment

Abstract

"This Thesis work has the experimental and theoretical results on modified carbon nanotubes with different functional groups, doped or decorated with nanoparticles, which modify their properties and interaction with the surrounded environment. In chapter 2, we studied the electrical transport and field-effect properties of random networks made of single walled carbon nanotubes with different functional side groups. We confirmed the important role of chemical functionalization on the electrical properties of nanotube networks. In addition, we also have successfully demonstrated the construction of entirely functionalized carbon nanotube field-effect transistors. Hybrid materials, consisting of nanotubes decorated with nanoparticles shows unique or enhanced sensitivity toward gaseous species when compared to pure nanotubes gas sensors. For this reason, in chapter 3, we propose the use of nitrogen-doped multiwalled carbon nanotubes decorated with silver nanoparticles as carbon disulfide gas sensors. Our results demonstrate that the mechanism of gas detection can be tuned from physisorption, at room temperature, to chemisorption at higher temperature. We demonstrated that the used of nanotube decorated with silver nanoparticles can significantly improve the signal response when compared to those materials without nanoparticles. We also studied in chapter 4, the electronic and structural properties of nitrogendoped (10,0) single walled carbon nanotubes using first-principles density functional theory. Our results demonstrated that carbon nanotubes could be changed from semiconductor to metallic, when modifying the concentration and position of nitrogen atoms. Composite materials such as metal or metal oxide decorated carbon nanotubes could be used in many applications, but the understanding of the interactions between nanoparticles and the carbon nanotubes has not been fully addressed. Along these lines, in chapter 5, we use nitrogen doped multiwalled carbon nanotubes as an efficient substrate for the deposition of zinc oxide nanoparticles. We also performed first-principles density functional calculations to understand the anchorage process of the zinc oxide to the nitrogen-doped carbon nanotubes, and the role of sulfur in the stabilization of nanoparticles."

"Este trabajo concentra resultados teóricos y experimentales sobre nanotubos de carbono modificados con diferentes grupos funcionales, dopados o decorados con distintas nanopartículas, lo cual modifica sus propiedades y su interacción con el medio circundante. Iniciamos, estudiamos el transporte electrónico y las propiedades de efecto de campo de redes aleatorias formadas por nanotubes de carbono de pared sencilla con diferentes grupos funcionales. Hemos confirmado la importancia de la funcionalización química en las propiedades eléctricas de redes de nanotubes de carbono. Además, se demostró la construcción y el buen funcionamiento de un transistor de efecto de campo fabricado con los nanotubos estudiados. Los materiales compuestos como los nanotubos decorados con nanopartículas metálicas pueden mostrar propiedades mejoradas o únicas para su uso en sensores de gases. Por esta razón, hemos propuesto el uso de nanotubos de pared múltiple dopados con nitrógeno y decorados con nanopartículas de plata como sensores para disulfuro de carbono. Los resultados muestran que al modificar la temperatura de operación es posible incrementar la sensibilidad y la selectividad sobre moléculas especificas. Este trabajo, también se enfocó a estudiar las propiedades electrónicas y estructurales de nanotubos de carbono de pared simple dopados con nitrógeno. Se realizaron cálculos basados en la teoría funcional de la densidad. Los resultados muestran que, los nanotubos pueden ser modificados de semiconductores a metálicos al variar la concentración y posición de los átomos de nitrógeno. Finalmente, materiales compuestos como los nanotubos de carbono decorados con nanopartículas metálicas o semiconductoras pueden ser utilizados en una gran cantidad de aplicaciones, sin embargo las interacciones entre las nanopartículas y los nanotubos no están completamente claras. Nosotros presentamos la síntesis de nanotubos de carbono a los cuales depositamos nanopartículas de óxido de zinc. Realizamos cálculos basados en la teoría funcional de la densidad para comprender el proceso de anclaje del óxido de zinc al nanotubo de carbono, además de estudiar el rol del azufre en la estabilización de las nanopartículas."