Controlling chemical and physical properties of ordered carbon nanosystems

Abstract

"Nanoscience and nanotechnology are dedicated to the creation of new materials with interesting properties like hardness, conductivity, magnetic properties, among others. Now, there is also interest in the use of these materials as building blocks to create new materials. In this work ordered and disordered arrays were studied: 1) carbon inverse opal and 2) carbon nanotube forests. Regarding the carbon inverse opal, we used an opal with SiO2 nanoparticles (300 nm) ordered in a FCC manner as a template for the fabrication of carbon inverse opal. This carbon inverse opal was synthesized by the infiltration of a solution containing sucrose as a carbon source; also, in this same solution we added pyrazine as a nitrogen source to obtain nitrogen doped carbon inverse opal. On another hand, we used disordered SiO2 nanoparticles as a template to synthesize nitrogen doped carbon inverse opal. These samples were characterized by SEM, TEM, Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis, nitrogen adsorption, X-ray diffraction and optical reflection spectroscopy. In the obtained results we observed slight changes in the structure depending on the doping concentration, also we observed the shift of the optical reflection peak depending upon the nitrogen concentration in the sample; observed a blue shift of the optical reflection peak dependent on the nitrogen concentration in the sample. Furthermore, we realized the study of the physical properties of the carbon inverse opal with different contents of nitrogen and pore size. In general, varying the nitrogen concentration and pore size it is possible to vary in a controlled manner the physical properties such as resistance, field emission, magnetoresistance and magnetization. The resistance was varied between 0.30 down to 0.02  cm and depending upon the degree of doping the transport mechanism of electrons may vary. In magnetoresistance (MR) there is a transition from positive MR to negative MR, when varying from low to high temperatures. Also, the magnetization of the samples exhibits a transition from paramagnetic to diamagnetic when increasing the temperature; the transition temperature is higher for smaller pore size. Finally, the carbon inverse opal doped with nitrogen was used as an acetone, ethanol and chloroform sensor, showing that doping with nitrogen effectively increases the sensing response signal."

"La nanociencia y nanotecnología se dedica a la creación de nuevos materiales con propiedades interesantes como dureza, conductividad, propiedades magnéticas. Ahora también, se está estudiando el uso de estos nanomateriales como bloques de construcción para crear nuevos materiales. En este trabajo se estudiaron arreglos ordenados y desordenados: 1) ópalo inverso de carbono y 2) bosques de nanotubos de carbono. Respecto al ópalo inverso de carbono, utilizamos un ópalo con nanopartículas de SiO2 (300 nm) ordenadas de manera FCC como molde para la fabricación de ópalo inverso de carbono. Este ópalo inverso de carbono fue sintetizado mediante la infiltración de una solución conteniendo sacarosa como fuente de carbono; además, en esta misma solución se agrego pirazina como fuente de nitrógeno para así obtener ópalo inverso de carbono dopado con nitrógeno. Por otro lado, utilizamos nanopartículas de SiO2 (10 y 100 nm) desordenadas como molde para sintetizar ópalo inverso de carbono dopado con nitrógeno. Estas muestras se caracterizaron mediante SEM, TEM, espectroscopía Raman, análisis termogravimétrico, adsorción de nitrógeno, difracción de rayos-X y espectroscopía de reflexión óptica. En los resultados obtenidos observamos ligeros cambios en la estructura de las muestras dependiendo de la concentración del dopaje, también observamos el corrimiento del pico de reflexión óptica dependiente a la concentración nitrógeno en la muestra; el corrimiento hacia el azul del pico de reflexión óptica dependiente a la concentración nitrógeno en la muestra. Posteriormente, realizamos el estudio de las propiedades físicas de ópalo inverso dopado con diferente contenido de nitrógeno y tamaño de poro. En general, variando la concentración de nitrógeno y el tamaño de poro se puede variar controladamente sus propiedades físicas como la resistencia, emisión de campo, magnetoresistencia y magnetización. La resistencia se variar desde 0.30 hasta 0.02  cm y dependiendo de su nivel de dopaje el mecanismo de transporte electrónico puede variar. En magnetoresistencia (MR) hay una transición de MR positivo a MR negativo, al variar de bajas hacia altas temperaturas. Así también, la magnetización de las muestras exhiben una transición de paramagnético a diamagnético al incrementar la temperatura; la temperatura de transición es más alta para poros más pequeños."