VANTAs

Οι κάθετα ευθυγραμμισμένες συστοιχίες νανοσωλήνων άνθρακα (VANTA) είναι μια μοναδική μικροδομή που αποτελείται από νανοσωλήνες άνθρακα προσανατολισμένους με τον διαμήκη άξονά τους κάθετα στην επιφάνεια ενός υποστρώματος. Αυτές οι VANTA διατηρούν αποτελεσματικά και συχνά τονίζουν τις μοναδικές ανισοτροπικές ιδιότητες των μεμονωμένων νανοσωλήνων άνθρακα και διαθέτουν μορφολογία που μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια. Κατά συνέπεια, οι VANTAs είναι ευρέως χρήσιμες σε μια σειρά από τρέχουσες και δυνητικές εφαρμογές συσκευών.

Σύνθεση

Υπάρχουν μια χούφτα διαθέσιμες πειραματικές τεχνολογίες για την ευθυγράμμιση ενός μεμονωμένου ή μιας συστοιχίας CNT κατά μήκος ενός προκαθορισμένου προσανατολισμού. Οι τεχνικές αυτές βασίζονται σε διαφορετικούς μηχανισμούς και συνεπώς εφαρμόζονται σε διαφορετικές καταστάσεις. Οι τεχνικές αυτές κατηγοριοποιούνται σε δύο ομάδες που αφορούν το πότε επιτυγχάνεται η ευθυγράμμιση: α) τεχνικές in-situ, όπου η ευθυγράμμιση επιτυγχάνεται κατά τη διαδικασία ανάπτυξης των CNT και β) τεχνικές ex-situ, όπου οι CNT αναπτύσσονται αρχικά σε τυχαίους προσανατολισμούς και η ευθυγράμμιση επιτυγχάνεται εκ των υστέρων, όπως κατά τη διαδικασία ενσωμάτωσης της διάταξης.

Θερμική χημική εναπόθεση από ατμό

Μηχανισμός ανάπτυξης

Η θερμική χημική εναπόθεση ατμών είναι μια κοινή τεχνική για την ανάπτυξη ευθυγραμμισμένων συστοιχιών CNT. Κατά τη διαδικασία CVD, ένα θερμό ανθρακούχο αέριο αποσυντίθεται, *αφήνοντας άνθρακα που διαχέεται μέσα ή γύρω από τα σωματίδια του καταλύτη*, και στη συνέχεια δημιουργεί πυρήνες ενός πλευρικού τοιχώματος γραφιτικών νανοσωλήνων σε μια κρυσταλλογραφική επιφάνεια του καταλύτη. Η διάμετρος του καταλύτη ελέγχει άμεσα τη διάμετρο των νανοσωλήνων που αναπτύσσονται. Υπάρχουν δύο κύρια μοντέλα ανάπτυξης για την ανάπτυξη VANTAs με CVD: το "μοντέλο ανάπτυξης κορυφής" και το "μοντέλο ανάπτυξης βάσης". Στην περίπτωση του μοντέλου ανάπτυξης κορυφής, ο υδρογονάνθρακας αποσυντίθεται στην άνω επιφάνεια του μετάλλου, ο άνθρακας διαχέεται προς τα κάτω μέσω του μετάλλου και οι CNT κατακρημνίζονται κατά μήκος της βάσης του μετάλλου, ωθώντας ολόκληρο το μεταλλικό σωματίδιο από το υπόστρωμα, και συνεχίζει να αναπτύσσεται έως ότου το μέταλλο καλυφθεί πλήρως με περίσσεια άνθρακα και παύσει η καταλυτική του δραστηριότητα. Στην περίπτωση του μοντέλου ανάπτυξης βάσης, η αρχική αποσύνθεση υδρογονανθράκων και η διάχυση άνθρακα λαμβάνουν χώρα παρόμοια με εκείνη στην περίπτωση ανάπτυξης κορυφής, αλλά η καταβύθιση CNT αναδύεται από την κορυφή του σωματιδίου μετάλλου και σχηματίζει έναν ημισφαιρικό θόλο, ο οποίος στη συνέχεια επεκτείνεται προς τα πάνω με τη μορφή απρόσκοπτου γραφιτικού κυλίνδρου. Η επακόλουθη αποσύνθεση των υδρογονανθράκων λαμβάνει χώρα στην κάτω περιφερειακή επιφάνεια του μετάλλου και ο διαλυμένος άνθρακας διαχέεται προς τα πάνω. Οι περισσότερες θερμικές διεργασίες CVD αναπτύσσουν νανοσωλήνες με τη μέθοδο ανάπτυξης ρίζας ή βάσης. Η μορφολογία τόσο των μεμονωμένων CNT όσο και της συστοιχίας CNT υπαγορεύεται από διάφορες παραμέτρους ανάπτυξης CVD, οι οποίες μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να προκύψουν κάθετα ευθυγραμμισμένες συστοιχίες CNT με διάφορες δομές.

Καταλύτης

Ο καταλύτης επιτρέπει την πυρόλυση του άνθρακα και την επακόλουθη ανάπτυξη της VANTA. Οι καταλύτες είναι συνήθως μέταλλα που έχουν υψηλή διαλυτότητα άνθρακα σε υψηλές θερμοκρασίες και παρουσιάζουν υψηλό ρυθμό διάχυσης άνθρακα, όπως ο σίδηρος (Fe), το κοβάλτιο (Co) και το νικέλιο (Ni). Άλλα μέταλλα μετάπτωσης, όπως ο χαλκός (Cu), ο χρυσός (Au), ο άργυρος (Ag), η πλατίνα (Pt) και το παλλάδιο (Pd), αναφέρονται επίσης ότι καταλύουν την ανάπτυξη CNT από διάφορους υδρογονάνθρακες, αλλά έχουν χαμηλότερη διαλυτότητα άνθρακα και κατά συνέπεια χαμηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης. Στερεά οργανομεταλλοκένια όπως το σιδηροκένιο, το κοβαλτοκένιο, το νικελοκένιο είναι επίσης κοινοί καταλύτες. Διαπιστώνεται ότι η θερμοκρασία και ο χρόνος των σταδίων θερμικής και αναγωγικής προεπεξεργασίας του καταλύτη είναι κρίσιμες μεταβλητές για τη βελτιστοποιημένη κατανομή των νανοσωματιδίων με διαφορετικές μέσες διαμέτρους, ανάλογα με το αρχικό πάχος του υμενίου. Για την ανάπτυξη CNT με CVD, εφαρμόζεται ένα ψεκασμένο λεπτό στρώμα καταλύτη (π.χ. 1 nm Fe). Κατά τη θέρμανση, το φιλμ αποδιαβρέχεται, δημιουργώντας νησίδες σιδήρου που στη συνέχεια δημιουργούν πυρήνες νανοσωλήνων. Καθώς ο σίδηρος είναι κινητός, οι νησίδες μπορούν να συγχωνευθούν εάν παραμείνουν για πολύ καιρό στη θερμοκρασία ανάπτυξης πριν από την έναρξη της ανάπτυξης νανοσωλήνων. Η ανόπτηση στη θερμοκρασία ανάπτυξης μειώνει την πυκνότητα των θέσεων #/mm2 και αυξάνει τη διάμετρο των νανοσωλήνων. Καθώς οι νανοσωλήνες αναπτύσσονται από τις νησίδες του καταλύτη, τα φαινόμενα συνωστισμού και οι δυνάμεις van der Waals μεταξύ άλλων CNT δεν τους αφήνουν καμία επιλογή να αναπτυχθούν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση παρά μόνο κάθετα προς το υπόστρωμα.

Το ύψος των κάθετα ευθυγραμμισμένων CNT ποικίλλει επίσης με την απόσταση των σωματιδίων του καταλύτη. Αναφορές έχουν δείξει ότι για κάθετα ευθυγραμμισμένες συστοιχίες δεσμίδων CNT, οι CNT μεγαλώνουν περισσότερο όταν υπάρχουν και άλλοι CNT που αναπτύσσονται κοντά τους, γεγονός που υποδεικνύεται από μακρύτερους CNT που αναπτύσσονται σε μεγαλύτερα σωματίδια καταλύτη ή όταν τα σωματίδια καταλύτη βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Οι Choi et al. ανέφεραν καλή μορφολογία και πυκνή κατανομή των VANTAs που αναπτύχθηκαν από νανοκόνες Ni και μαγνητικά υγρά αναμεμειγμένα σε πολυβινυλική αλκοόλη με περιστροφική επικάλυψη σε Si και αλουμίνα. Οι Xiong et al. έδειξαν ότι το μονοκρυσταλλικό οξείδιο του μαγνησίου (MgO) είναι ένα ικανό υπόστρωμα για την ανάπτυξη VANTAs μήκους 2,2 mm όταν καταλύεται με καταλύτη Fe. Αποδείχθηκε επίσης ότι η εφαρμογή ενός μονοστρώματος Mo με καταλύτη Co κατέστειλε τη διεύρυνση της κατανομής της διαμέτρου των SWNT στο VANTA που αναπτύχθηκε, ενώ τόσο η σύνθεση όσο και η ποσότητα Co και Mo επηρέασαν την καταλυτική δραστηριότητα.

Υποστήριξη

Το υλικό του υποστρώματος, η μορφολογία της επιφάνειάς του και οι ιδιότητες υφής του επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του VANTA που προκύπτει. Ορισμένα παραδείγματα υποστρωμάτων που χρησιμοποιούνται συνήθως στη CVD είναι ο χαλαζίας, το πυρίτιο, το καρβίδιο του πυριτίου, το διοξείδιο του πυριτίου, η αλουμίνα, ο ζεόλιθος, το CaCO3 και το οξείδιο του μαγνησίου. Τα περισσότερα υποστρώματα επικαλύπτονται με ένα υπόγειο στρώμα που αποτελείται από 10-20 nm αλουμίνας πριν από την εναπόθεση του καταλύτη. Αυτό εξομαλύνει την απόσταξη του καταλύτη σε νησίδες προβλέψιμου μεγέθους και αποτελεί εμπόδιο διάχυσης μεταξύ του υποστρώματος και του μεταλλικού καταλύτη. Οι Li κ.ά. παρήγαγαν VANTA που αποτελούνται από νανοσωλήνες άνθρακα σχήματος Υ με πυρόλυση μεθανίου πάνω σε καταλύτη οξειδίου του μαγνησίου καλυμμένο με κοβάλτιο πάνω σε διακλαδισμένα πρότυπα αλουμίνας με νανοκανάλια. Οι Qu κ.ά. χρησιμοποίησαν μια ίνα άνθρακα με βάση την πίσσα ως υποστήριξη για την ανάπτυξη VANTA χρησιμοποιώντας μια πηγή άνθρακα FePc. Η προκύπτουσα διάταξη διαδίδεται ακτινικά στην επιφάνεια της ίνας άνθρακα.

Οι Zhong, et al. έδειξαν την άμεση ανάπτυξη VANTAs σε μεταλλικές επιστρώσεις τιτανίου (Ti) με καταλύτη Fe/Ti/Fe που εκτοξεύτηκε σε πλακίδια SiO2/Si. Οι Alvarez et al. αναφέρουν τη δυνατότητα περιστροφικής επικάλυψης ενός διαλύματος αλουμοξανίου ως φορέα καταλύτη για την ανάπτυξη VANTA μέσω CVD. Αφού εξατμίστηκε ένας συμβατικός καταλύτης Fe πάνω στο φορέα με επίστρωση με περιστροφή, η απόδοση της ανάπτυξης VANTA που προέκυψε ήταν παρόμοια με την απόδοση των συμβατικών φορέων σκόνης Al2O3.

Πηγή άνθρακα

Η πηγή άνθρακα για την CVD των VANTA είναι συνήθως ένα αέριο άνθρακα, όπως το μεθάνιο, το αιθυλένιο, το ακετυλένιο, το βενζόλιο, το ξυλένιο ή το μονοξείδιο του άνθρακα. Άλλα παραδείγματα πρόδρομων ουσιών άνθρακα περιλαμβάνουν κυκλοεξάνιο, φουλερένιο, μεθανόλη και αιθανόλη. Η πυρόλυση αυτών των αερίων σε άτομα άνθρακα ποικίλλει με βάση τον ρυθμό διάσπασης σε θερμοκρασίες ανάπτυξης, την περιεκτικότητα των μορίων του αερίου σε άνθρακα και τον καταλύτη ανάπτυξης. Οι γραμμικοί υδρογονάνθρακες, όπως το μεθάνιο, το αιθυλένιο, το ακετυλένιο, διασπώνται θερμικά σε ατομικούς άνθρακες ή γραμμικά διμερή/τριμερή άνθρακα και γενικά παράγουν ευθείες και κοίλες CNT. Από την άλλη πλευρά, οι κυκλικοί υδρογονάνθρακες, όπως το βενζόλιο, το ξυλένιο, το κυκλοεξάνιο, το φουλερένιο, παράγουν σχετικά καμπύλους/κομμένους CNT με τα τοιχώματα των σωλήνων συχνά γεφυρωμένα στο εσωτερικό τους. Ευθυγραμμισμένες συστοιχίες MWNTs έχουν συντεθεί μέσω της καταλυτικής διάσπασης του πρόδρομου μίγματος σιδηροκενίου-ξυλενίου σε υποστρώματα χαλαζία σε ατμοσφαιρική πίεση και σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (~675 °C).

Οι Eres et al. διαπίστωσαν ότι η προσθήκη σιδηροκενίου στο ρεύμα αερίου με θερμική εξάτμιση ταυτόχρονα με ακετυλένιο ενίσχυσε τους ρυθμούς ανάπτυξης νανοσωλήνων άνθρακα και επέκτεινε το πάχος VANTA στα 3,25 mm. Το φεροκένιο εισήχθη στο ρεύμα αερίου με θερμική εξάτμιση ταυτόχρονα με τη ροή ακετυλενίου. Οι Qu κ.ά. ανέφεραν μια διαδικασία CVD χαμηλής πίεσης σε ένα πλακίδιο SiO2/Si που παράγει ένα VANTA αποτελούμενο από CNTs με σγουρά περιπλεγμένα άκρα. Κατά τη διάρκεια της πυρολυτικής ανάπτυξης των VANTA, τα αρχικά σχηματισμένα τμήματα νανοσωλήνων από τη βασική διαδικασία ανάπτυξης αναπτύχθηκαν σε τυχαίες κατευθύνσεις και σχημάτισαν ένα τυχαία περιπλεγμένο ανώτερο στρώμα νανοσωλήνων στο οποίο στη συνέχεια αναδύθηκαν οι υποκείμενες ευθείες συστοιχίες νανοσωλήνων. Οι Zhong κ.ά. μελέτησαν τη διαδικασία αμιγώς θερμικής CVD για δάση SWNT χωρίς αέριο αιθάλης και απέδειξαν ότι το ακτεϊλένιο είναι η κύρια πρόδρομη ουσία ανάπτυξης και η μετατροπή οποιασδήποτε πρώτης ύλης σε C2H2 έχει καθοριστική σημασία για την ανάπτυξη SWNT VANTA. Ένα αντιδραστικό αιωρητικό, όπως το νερό, το ατομικό υδρογόνο ή οι ρίζες υδροξυλίου, μπορεί να διευρύνει το παράθυρο εναπόθεσης δασών SWNT, αλλά δεν απαιτείται σε αντιδραστήρες ψυχρού τοιχώματος σε χαμηλές πιέσεις.

Οι Dasgupta et al. συνέθεσαν ένα ελεύθερο μακροσωληνοειδές VANTA με πυρόλυση με ψεκασμό διαλύματος σιδηροκενίου-βενζολίου σε ατμόσφαιρα αζώτου, με τις βέλτιστες συνθήκες για το σχηματισμό μακροσωληνοειδούς γεωμετρίας να είναι 950 °C, 50 mg/ml σιδηροκενίου σε βενζόλιο, 1,5 ml/min ρυθμός άντλησης υγρού πρόδρομου και 5 lpm ρυθμός ροής αερίου αζώτου.

Θερμοκρασία

Σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα του καταλύτη δεν είναι αρκετά ευκίνητα ώστε να συσσωματωθούν σε σωματίδια για να δημιουργήσουν πυρήνες και να αναπτύξουν νανοσωλήνες και η καταλυτική διάσπαση της πρόδρομης ουσίας άνθρακα μπορεί να είναι πολύ αργή για το σχηματισμό νανοσωλήνων. Εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, ο καταλύτης γίνεται πολύ κινητός για να σχηματίσει σωματίδια αρκετά μικρά ώστε να δημιουργηθούν πυρήνες και να αναπτυχθούν CNT. Ένα τυπικό εύρος θερμοκρασιών ανάπτυξης κατάλληλων για την ανάπτυξη VANTA με CVD είναι 600-1200 °C. Η επιμέρους δομή των CNT επηρεάζεται από τη θερμοκρασία ανάπτυξης- μια CVD χαμηλής θερμοκρασίας (600-900 °C) δίνει MWCNT, ενώ η αντίδραση υψηλής θερμοκρασίας (900-1200 °C) ευνοεί τα SWCNT, καθώς έχουν υψηλότερη ενέργεια σχηματισμού. Υπάρχει μια κρίσιμη θερμοκρασία για κάθε σύστημα CVD όπου ο ρυθμός ανάπτυξης φτάνει σε μια μέγιστη τιμή.

Η θερμοκρασιακή εξάρτηση της ανάπτυξης νανοσωλήνων άνθρακα με σιδηροτσένιο παρουσιάζει απότομη πτώση σε υψηλές θερμοκρασίες υποστρώματος και απώλεια της κάθετης ευθυγράμμισης στους 900 °C. Οι Zhang et al. διεξήγαγαν αναπτύξεις VANTA σε μια σειρά καταλυτών Fe/Mo/βερμικουλίτη και ανέφεραν ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης, η ευθυγράμμιση των CNT που παρεμβάλλονται μεταξύ βερμικουλίτη χειροτέρευε.

Ανάπτυξη υποβοηθούμενη από τη ροή

Το κλειδί για υψηλές αποδόσεις ανάπτυξης είναι η κατάλληλη εισαγωγή οξειδωτικών παραγόντων κάτω από το αέριο περιβάλλον, έτσι ώστε οι επιφάνειες των σωματιδίων του καταλύτη να παραμένουν ενεργές για όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, πράγμα που πιθανώς επιτυγχάνεται με την εξισορρόπηση του ανταγωνισμού μεταξύ της ανάπτυξης άμορφου άνθρακα και του σχηματισμού γραφιτικών κρυστάλλων sp2 στα σωματίδια του καταλύτη. Τα οξειδωτικά μπορούν όχι μόνο να απομακρύνουν ή να αποτρέψουν την ανάπτυξη άμορφου άνθρακα, αλλά μπορούν επίσης να χαράξουν τα στρώματα γραφίτη όταν χρησιμοποιούνται σε συγκεντρώσεις υψηλότερες από τις ευνοϊκές. Οι Hata κ.ά. ανέφεραν κλίμακας χιλιοστού κάθετα ευθυγραμμισμένα SWCNT μήκους 2,5 mm χρησιμοποιώντας τη διαδικασία CVD αιθυλενίου υποβοηθούμενης από νερό με πολλαπλά στρώματα Fe/Al ή οξειδίου του αργιλίου σε πλακίδια Si. Προτάθηκε ότι η ελεγχόμενη παροχή ατμού στον αντιδραστήρα CVD λειτούργησε ως ασθενής οξειδωτικός παράγοντας και απομάκρυνε επιλεκτικά τον άμορφο άνθρακα χωρίς να βλάψει τους αναπτυσσόμενους CNTs.

Ανάπτυξη με τη βοήθεια πεδίου

Δεδομένου ότι όλοι οι CNT είναι ηλεκτρικά αγώγιμοι, έχουν την τάση να ευθυγραμμίζονται με τις γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου. Έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την εφαρμογή ενός αρκετά ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης των CNT ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη ευθυγράμμιση των CNT με βάση αυτή την αρχή. Ο προσανατολισμός των ευθυγραμμισμένων CNTs εξαρτάται κυρίως από το μήκος των CNTs και το ηλεκτρικό πεδίο εκτός από τη θερμική τυχαιοποίηση και τις δυνάμεις van der Waals. Αυτή η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη VANTAs με θετική πόλωση του υποστρώματος κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης CVD.

Μια άλλη τροποποιημένη προσέγγιση για την ανάπτυξη VANTAs είναι ο έλεγχος του προσανατολισμού σιδηρομαγνητικών καταλυτών που έχουν έναν κρυσταλλογραφικό μαγνητικό εύκολο άξονα. Ο μαγνητικός εύκολος άξονας τείνει να είναι παράλληλος προς το μαγνητικό πεδίο. Ως αποτέλεσμα, μια εφαρμοζόμενη μαγνητική δύναμη μπορεί να προσανατολίσει αυτά τα μαγνητικά καταλυτικά νανοσωματίδια, όπως τα καταλυτικά νανοσωματίδια σιδήρου και τα νανοσωματίδια Fe3O4. Επειδή μόνο μια ορισμένη νανοκρυσταλλική όψη των καταλυτικών νανοσωματιδίων είναι καταλυτικά ενεργή και ο ρυθμός διάχυσης των ατόμων άνθρακα στην όψη είναι ο υψηλότερος, οι CNT αναπτύσσονται κατά προτίμηση από τη συγκεκριμένη όψη των καταλυτικών νανοσωματιδίων και οι αναπτυγμένοι CNT προσανατολίζονται υπό ορισμένη γωνία.

Νανοδομές με ατομική διευθυνσιοδότηση

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να αναπτυχθούν σε τροποποιημένο υπόστρωμα ώστε να επιτρέπονται ξεχωριστές ηλεκτρικές επαφές σε κάθε νανοδομή. Αυτή η ανάπτυξη νανοσωλήνων επιτυγχάνεται με λιθογραφική τοποθέτηση μεταλλικών ιχνών που διαχωρίζονται από μονωτικό υλικό και σύνδεση αυτών των ιχνών με μεμονωμένες θέσεις καταλυτών στην επιφάνεια του υποστρώματος. Οι νανοσωλήνες στη συνέχεια αναπτύσσονται κανονικά με CVD και μια σειρά αντιδράσεων στον καταλύτη σχηματίζει μια ενιαία σύνδεση μεταξύ ενός νανοσωλήνα και μιας μεταλλικής επαφής. Οι νανοδομές μπορούν στη συνέχεια να λειτουργικοποιηθούν μεμονωμένα και οι ηλεκτρικές αποκρίσεις τους να μετρηθούν μεμονωμένα χωρίς διασταυρώσεις και άλλες δυσχέρειες που προκύπτουν από την ετερογένεια των συστοιχιών. Αυτή η τεχνική, η οποία επιτυγχάνει την ακριβή τοποθέτηση και διαμόρφωση των μεμονωμένων νανοσωλήνων, ξεκλειδώνει και ενισχύει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών για τους VANTA: διαγνωστικές δοκιμές για πολλούς αναλυτές ταυτόχρονα, υπερπυκνωτές υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, τρανζίστορ επίδρασης πεδίου κ.λπ.

CVD ενισχυμένη με πλάσμα

Μηχανισμός ανάπτυξης

Στις διεργασίες CVD με ενισχυμένο πλάσμα (PECVD), ηλεκτρικά πεδία συνεχούς ρεύματος, ηλεκτρικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων ή μικροκύματα παράγουν πλάσμα για να μειώσουν κυρίως τη θερμοκρασία σύνθεσης των CNT. Ταυτόχρονα, παράγεται επίσης ηλεκτρικό πεδίο (συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος) πάνω από την επιφάνεια του υποστρώματος για να κατευθύνει τη διάδοση της ανάπτυξης των CNT. Η διαδικασία DC-PECVD για κάθετα ευθυγραμμισμένες συστοιχίες CNT περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα: εκκένωση, θέρμανση, παραγωγή πλάσματος και ψύξη. Μια τυπική διαδικασία διεξάγεται σε πίεση 8 Torr σε NH3 και σε θερμοκρασία ανάπτυξης στο εύρος 450-600 ◦. Μόλις σταθεροποιηθούν η θερμοκρασία και η πίεση, εφαρμόζεται τάση πόλωσης συνεχούς ρεύματος 450-650 V στο διάκενο μεταξύ δύο ηλεκτροδίων για την ανάφλεξη ηλεκτρικής εκκένωσης (πλάσμα) πάνω από το δείγμα. Ο χρόνος ανάπτυξης μπορεί να κυμαίνεται από μερικά λεπτά έως ώρες ανάλογα με τον ρυθμό ανάπτυξης και το επιθυμητό μήκος CNT. Όταν επιτευχθεί το τέλος του χρόνου ανάπτυξης, η τάση πόλωσης αφαιρείται αμέσως για να τερματιστεί το πλάσμα.

Οι Zhong κ.ά. ανέφεραν μια νέα συσκευή CVD πλάσματος μικροκυμάτων σημειακού τόξου που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη SWNTs σε υποστρώματα Si επικαλυμμένα με μια δομή νανοστρώματος τύπου σάντουιτς από 0,7 nm Al2O3/0,5 nm Fe/ 5-70 nm Al2O3 με συμβατικό σπατουλάρισμα υψηλής συχνότητας. Η ανάπτυξη εξαιρετικά πυκνών και κάθετα ευθυγραμμισμένων SWNTs με σχεδόν σταθερό ρυθμό ανάπτυξης 270 mm/h εντός 40 λεπτών σε θερμοκρασία τόσο χαμηλή όσο 600 °C καταδείχθηκε για πρώτη φορά και η πυκνότητα όγκου των υμενίων SWNT που αναπτύχθηκαν είναι υψηλότερη από 66 kg/m3.

Καταλύτης

Ο σχηματισμός ενός πυκνού και σχετικά ομοιόμορφου στρώματος νανοσωματιδίων καταλύτη είναι επίσης απαραίτητος για την ανάπτυξη κατακόρυφα ευθυγραμμισμένων SWCNT κατακόρυφα ευθυγραμμισμένων SWCNT με τη μέθοδο PECVD. Οι Amaratunga κ.ά. ανέφεραν την ανάπτυξη κάθετα ευθυγραμμισμένων CNTs με την τεχνική PECVD συνεχούς ρεύματος με σύστημα καταλυτών Ni και Co. Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι η ευθυγράμμιση των κάθετα ευθυγραμμισμένων CNTs εξαρτάται από το ηλεκτρικό πεδίο και ότι ο ρυθμός ανάπτυξης μπορεί να μεταβληθεί ανάλογα με τη διάμετρο των CNTs, η οποία φτάνει στο μέγιστο ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης. Τα VANTAs που αποτελούνται από SWNTs έχουν αναπτυχθεί σε μήκος 0,5 cm. Οι Zhong κ.ά. ανέφεραν μια νέα συσκευή CVD πλάσματος μικροκυμάτων σημειακού τόξου που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή SWNTs σε υποστρώματα Si επικαλυμμένα με μια δομή νανοστρώματος τύπου σάντουιτς από 0,7 nm Al2O3/0,5 nm Fe/ 5-70 nm Al2O3 με συμβατικό σπατουλάρισμα υψηλής συχνότητας. Η ανάπτυξη εξαιρετικά πυκνών και κάθετα ευθυγραμμισμένων SWNTs με σχεδόν σταθερό ρυθμό ανάπτυξης 270 mm/h εντός 40 λεπτών σε θερμοκρασία τόσο χαμηλή όσο 600 °C καταδείχθηκε για πρώτη φορά και η πυκνότητα όγκου των υμενίων SWNT που αναπτύχθηκαν είναι υψηλότερη από 66 kg/m3.

Υποστήριξη

Για τις διεργασίες PECVD, το υπόστρωμα πρέπει να είναι χημικά σταθερό κάτω από το πλάσμα το οποίο είναι πλούσιο σε είδη Η. Ορισμένα οξείδια με ασθενή δεσμό, όπως το οξείδιο του ινδίου, μπορούν να αναχθούν γρήγορα σε αυτό το πλάσμα και επομένως δεν είναι συνήθως εφαρμόσιμα ως υπόστρωμα ή υποστρώματα. Το υπόστρωμα πρέπει επίσης να είναι ηλεκτρικά αγώγιμο ώστε να διατηρεί συνεχή ροή συνεχούς ρεύματος μέσω της επιφάνειάς του, από όπου αναπτύσσονται οι CNT. Τα περισσότερα μέταλλα και οι ημιαγωγοί είναι πολύ καλά υλικά υποστρώματος και τα μονωτικά υποστρώματα μπορούν να επικαλυφθούν πρώτα με ένα αγώγιμο στρώμα για να λειτουργήσουν σωστά για να υποστηρίξουν την ανάπτυξη PECVD VANTA.

Πηγή άνθρακα

Το C2H2 εισάγεται συνήθως για να προκαλέσει την ανάπτυξη CNT κατά τη διάρκεια της PECVD των VANTA. Η αναλογία ροής NH3:C2H2 είναι συνήθως περίπου 4:1 για να ελαχιστοποιηθεί ο σχηματισμός άμορφου άνθρακα. Οι Behr et al. μελέτησαν την επίδραση του υδρογόνου στα νανοσωματίδια του καταλύτη κατά τη διάρκεια της PECVD των VANTAs και έδειξαν ότι σε αναλογίες H2 προς-CH4 περίπου 1 τα νανοσωματίδια του καταλύτη σιδήρου μετατρέπονται σε Fe3C και αναπτύσσονται καλά γραφιτικοί νανοσωλήνες από επιμήκεις κρυστάλλους Fe3C. Αναλογίες H2 προς CH4 μεγαλύτερες από 5 στο αέριο τροφοδοσίας οδηγούν σε υψηλές συγκεντρώσεις υδρογόνου στο πλάσμα και σε έντονα αναγωγικές συνθήκες, οι οποίες εμποδίζουν τη μετατροπή του Fe σε Fe3C και προκαλούν την ανάπτυξη κακώς γραφιτοποιημένων νανοϊνών με παχιά τοιχώματα.

Θερμοκρασία

Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της χρήσης τεχνικών ανάπτυξης PECVD είναι η χαμηλή θερμοκρασία ανάπτυξης. Ο ιονισμός των ουδέτερων μορίων υδρογονανθράκων στο εσωτερικό του πλάσματος διευκολύνει τη διάσπαση των δεσμών C-H και μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης της ανάπτυξης CNT σε περίπου 0,3eV σε αντίθεση με τα 1,2eV που απαιτούνται για τις θερμικές διαδικασίες CVD.

Ηλεκτροφορητική εναπόθεση

Τα διαλύματα CNT μπορούν να σχηματίσουν VANTA μέσω ευθυγράμμισης κατά μήκος γραμμών ηλεκτρικού πεδίου συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι CNTs πολώνονται στο εναιώρημα από το ηλεκτρικό πεδίο λόγω της διηλεκτρικής ασυμφωνίας μεταξύ των CNTs και του υγρού. Η ροπή πόλωσης περιστρέφει τα CNTs προς την κατεύθυνση των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου, επομένως τα ευθυγραμμίζει προς μια κοινή κατεύθυνση. Αφού ευθυγραμμιστούν, οι CNTs αφαιρούνται με τα υποστρώματα και ξηραίνονται για να σχηματίσουν λειτουργικά VANTAs.

Μηχανική καταπόνηση

Τυχαία προσανατολισμένα CNTs σε υπόστρωμα μπορούν να τεντωθούν για να ισιώσουν και να ξεμπερδέψουν το φιλμ σπάζοντας το υπόστρωμα και τραβώντας τα άκρα μακριά. Τα ευθυγραμμισμένα CNT είναι παράλληλα μεταξύ τους και κάθετα στη ρωγμή. Η μέθοδος τεντώματος μπορεί να ευθυγραμμίσει μακροσκοπικά τα CNT, ενώ δεν παρέχει ντετερμινιστικό έλεγχο της ευθυγράμμισης ή της θέσης των μεμονωμένων CNT κατά τη συναρμολόγηση.

Τρέχουσες εφαρμογές

Συσκευές εκπομπής πεδίου

Οι CNT έχουν υψηλές αναλογίες διαστάσεων (μήκος διαιρούμενο με τη διάμετρο) και προκαλούν πολύ υψηλές τοπικές εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου γύρω από τις άκρες. Η εκπομπή πεδίου στα στερεά εμφανίζεται σε έντονα ηλεκτρικά πεδία και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συνάρτηση έργου του υλικού εκπομπής. Σε μια διάταξη παράλληλων πλακών, το μακροσκοπικό πεδίο Emacro μεταξύ των πλακών δίνεται από τη σχέση Emacro = V/d, όπου d είναι ο διαχωρισμός των πλακών και V η εφαρμοζόμενη τάση. Εάν δημιουργηθεί ένα αιχμηρό αντικείμενο σε μια πλάκα, τότε το τοπικό πεδίο Elocal στην κορυφή του είναι μεγαλύτερο από το Emacro και μπορεί να συσχετιστεί με: Elocal=γ×Emacro Η παράμετρος γ ονομάζεται παράγοντας ενίσχυσης του πεδίου και καθορίζεται βασικά από το σχήμα του αντικειμένου. Τυπικοί συντελεστές ενίσχυσης πεδίου που κυμαίνονται από 30.000 έως 50.000 μπορούν να ληφθούν από μεμονωμένους CNT, καθιστώντας έτσι τα VANTA ένα από τα καλύτερα υλικά εκπομπής ηλεκτρονίων.

Απορροφητής μέλανος σώματος

Τα VANTAs προσφέρουν μια μοναδική επιφάνεια απορρόφησης του φωτός λόγω του εξαιρετικά χαμηλού δείκτη διάθλασής τους και της επιφανειακής τραχύτητας σε νανοκλίμακα των ευθυγραμμισμένων CNTs. Οι Yang et al. απέδειξαν ότι τα VANTAs χαμηλής πυκνότητας παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή διάχυτη ανάκλαση 1 × 10-7 με αντίστοιχη ολοκληρωμένη ολική ανάκλαση 0,045%. Παρόλο που οι μαύρες επιστρώσεις VANTA πρέπει να μεταφερθούν ή να αναπτυχθούν απευθείας σε υποστρώματα, σε αντίθεση με τις μαύρες επιστρώσεις που αποτελούνται από τυχαία δίκτυα CNT που μπορούν να επεξεργαστούν σε χρώματα CNT, θεωρούνται το πιο μαύρο τεχνητό υλικό στη γη.

Οι απορροφητές μαύρων σωμάτων VANTA είναι επομένως χρήσιμοι ως απορροφητές αδέσποτου φωτός για τη βελτίωση της ανάλυσης ευαίσθητων φασματοσκοπίων, τηλεσκοπίων, μικροσκοπίων και συσκευών οπτικής ανίχνευσης. Από τις επικαλύψεις VANTA έχουν παραχθεί διάφορα εμπορικά προϊόντα οπτικής μαύρης επίστρωσης, όπως το Vantablack και το οπτικό μαύρο νανοσωλήνων adVANTA. Οι απορροφητές VANTA μπορούν επίσης να αυξήσουν την απορρόφηση θερμότητας σε υλικά που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας, καθώς και σε στρατιωτικές εφαρμογές όπως το θερμικό καμουφλάζ. Οι οπτικές απεικονίσεις των απορροφητών VANTA έχουν προκαλέσει το ενδιαφέρον και των καλλιτεχνών που επιδιώκουν να επωφεληθούν από την απόσβεση των σκιών από την τραχιά επιφάνεια. Πρόσφατα, το Vantablack χρησιμοποιήθηκε από τον καλλιτέχνη Asif Khan για τη δημιουργία του περιπτέρου της Hyundai στο Pyeongchang για τους Χειμερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 2018.

Σχοινιά από ίνες άνθρακα

Τα VANTAs μπορούν να υποστούν επεξεργασία μέσω πτητικών διαλυμάτων ή να συστρέφονται για να συμπυκνωθούν σε κλωσμένα νήματα ή σχοινιά CNT. Οι Jiang κ.ά. έδειξαν μια μέθοδο κλώσης και συστροφής που σχηματίζει νήμα CNT από VANTA που δίνει τόσο στρογγυλή διατομή όσο και αντοχή σε εφελκυσμό περίπου 1 GPa. Οι αντοχές σε εφελκυσμό των νημάτων CNT που έχουν κλωστεί από εξαιρετικά μακριές συστοιχίες CNT ύψους 1 mm μπορούν να κυμανθούν από 1,35 έως 3,3 GPa.

Μονοκατευθυντικά φύλλα

Οι Lui κ.ά. περιγράφουν τρόπους ελέγχου των φυσικών ιδιοτήτων των φύλλων που περιστρέφονται από συστοιχίες CNT, συμπεριλαμβανομένου του πάχους του φιλμ καταλύτη, για τον έλεγχο της κατανομής της διαμέτρου των σωλήνων και του χρόνου ανάπτυξης για τον έλεγχο του μήκους των σωλήνων. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων του φύλλου που περιστρέφεται από τη συστοιχία. Τα φύλλα μπορεί να είναι χρήσιμα σε επιστημονικές εφαρμογές, όπως η πόλωση του φωτός μέσω του φύλλου (ο βαθμός πόλωσης μπορεί επίσης να ελεγχθεί από τη θερμοκρασία του φύλλου).

Συγκολλητικές μεμβράνες

Μελέτες βιομιμητισμού που κατευθύνονται προς την αναπαραγωγή της πρόσφυσης των ποδιών του γκέκο σε λείες επιφάνειες έχουν αναφέρει επιτυχία χρησιμοποιώντας το VANTA ως ξηρό συγκολλητικό φιλμ. Οι Qu et al. ήταν σε θέση να επιδείξουν μεμβράνες VANTA που παρουσίασαν μακροσκοπικές δυνάμεις πρόσφυσης ~100 Newton ανά τετραγωνικό εκατοστό, που είναι σχεδόν 10 φορές μεγαλύτερη από εκείνη ενός ποδιού γκέκο. Αυτό επιτεύχθηκε με τη ρύθμιση των συνθηκών ανάπτυξης του VANTA ώστε να σχηματίζονται μπούκλες στο άκρο των CNT, οι οποίες παρέχουν ισχυρότερες διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις ακόμη και με μια λεία επιφάνεια. Οι Qu κ.ά. έδειξαν επίσης ότι οι συγκολλητικές ιδιότητες ήταν λιγότερο ευαίσθητες στη θερμοκρασία από την κόλλα σούπερ και την ταινία scotch.

Αισθητήρας αερίου

Τα VANTA επιτρέπουν την ανάπτυξη νέων αισθητήρων ή/και τσιπ αισθητήρων χωρίς την ανάγκη άμεσου χειρισμού μεμονωμένων νανοσωλήνων. Η ευθυγραμμισμένη δομή των νανοσωλήνων παρέχει περαιτέρω μεγάλη καλά καθορισμένη επιφάνεια και τη δυνατότητα τροποποίησης της επιφάνειας των νανοσωλήνων άνθρακα με διάφορα υλικά μεταγωγής για την αποτελεσματική ενίσχυση της ευαισθησίας και τη διεύρυνση του πεδίου των προς ανίχνευση αναλυτών. Οι Wei κ.ά. ανέφεραν έναν αισθητήρα αερίου που κατασκευάστηκε καλύπτοντας εν μέρει ένα VANTA με μια πολυμερή επικάλυψη από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος του σωλήνα τους, εναποθέτοντας μια σταγόνα διαλύματος πολυμερούς (π.χ. πολυ(οξικό βινύλιο), PVAc, πολυισοπρένιο, PI) πάνω στο φιλμ νανοσωλήνων, αναστρέφοντας το σύνθετο φιλμ ως ελεύθερο φιλμ και στη συνέχεια επικαλύπτοντας με σπατουλάρισμα δύο ηλεκτρόδια λωρίδας χρυσού κατά μήκος των συστοιχιών νανοσωλήνων που προεξείχαν από την πολυμερή μήτρα. Η εύκαμπτη συσκευή VANTA αποδείχθηκε ότι ανιχνεύει επιτυχώς χημικούς ατμούς μέσω της παρακολούθησης των μεταβολών της αγωγιμότητας που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση μεταφοράς φορτίου με τα μόρια αερίου ή/και τις μεταβολές της απόστασης μεταξύ των σωλήνων που προκαλούνται από τη διόγκωση του πολυμερούς μέσω της απορρόφησης αερίου. Μέχρι σήμερα, οι CNTs έχουν δείξει ευαισθησία σε αέρια όπως NH3, NO2, H2, C2H4, CO, SO2, H2S και O2.

Βιολογικός αισθητήρας

Τα VANTA λειτουργούν ως δάση μοριακών συρμάτων που επιτρέπουν την ηλεκτρική επικοινωνία μεταξύ του υποκείμενου ηλεκτροδίου και μιας βιολογικής οντότητας. Τα κύρια πλεονεκτήματα των VANTAs είναι το νανομέγεθος του στοιχείου ανίχνευσης CNT και η αντίστοιχη μικρή ποσότητα υλικού που απαιτείται για μια ανιχνεύσιμη απόκριση. Οι καλά ευθυγραμμισμένες συστοιχίες CNT έχουν χρησιμοποιηθεί για να λειτουργήσουν ως αισθητήρες ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA), αισθητήρες ενζύμων, αισθητήρες DNA, ακόμη και αισθητήρες πρωτεϊνών. Παρόμοιες συστοιχίες VANTA από MWNTs, που αναπτύσσονται σε υποστρώματα λευκόχρυσου, είναι χρήσιμες για αμπερομετρικά ηλεκτρόδια, όπου τα οξυγονωμένα ή λειτουργικά ανοικτά άκρα των νανοσωλήνων χρησιμοποιούνται για την ακινητοποίηση βιολογικών ειδών, ενώ το υπόστρωμα λευκόχρυσου παρέχει τη μεταγωγή σήματος. Για να αυξηθεί η εκλεκτικότητα και η ευαισθησία των αμπερομετρικών βιοαισθητήρων, χρησιμοποιούνται συχνά τεχνητοί μεσολαβητές και περμεσοεπιλεκτικές επιστρώσεις στην κατασκευή των βιοαισθητήρων. Οι τεχνητοί διαμεσολαβητές χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ του ενζύμου και του ηλεκτροδίου, ώστε να επιτρέπεται η λειτουργία σε χαμηλά δυναμικά. Οι Gooding κ.ά. έδειξαν ότι τα κοντύτερα SWNT μπορούν να ευθυγραμμιστούν κανονικά σε ένα ηλεκτρόδιο με αυτοσυναρμολόγηση και να λειτουργήσουν ως μοριακά σύρματα για να επιτρέψουν την ηλεκτρική επικοινωνία μεταξύ του υποκείμενου ηλεκτροδίου και των οξειδοαναγωγικών πρωτεϊνών που είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένες στα άκρα των SWNT. Ο υψηλός ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσω των νανοσωλήνων προς τις οξειδοαναγωγικές πρωτεΐνες αποδεικνύεται σαφώς από την ομοιότητα της σταθεράς ρυθμού μεταφοράς ηλεκτρονίων προς την MP-11, ανεξάρτητα από το αν υπάρχουν ή όχι SWNTs.

Υλικά θερμικής διεπαφής

Οι διεπιφάνειες VANTA είναι πιο θερμικά αγώγιμες από τα συμβατικά υλικά θερμικής διεπιφάνειας στις ίδιες θερμοκρασίες, επειδή τα φωνόνια διαδίδονται εύκολα κατά μήκος των εξαιρετικά θερμικά αγώγιμων CNTs και έτσι η θερμότητα μεταφέρεται προς μία κατεύθυνση κατά μήκος της ευθυγράμμισης των CNTs. Η κατανομή και η ευθυγράμμιση των θερμικά αγώγιμων πληρωτικών υλικών CNT είναι σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταφορά φωνονίων. Οι Huang et al. έδειξαν ότι ένα θερμικά αγώγιμο σύνθετο υλικό παρουσιάζει ενίσχυση 0,65W/m/K με 0,3wt% φόρτωση VANTA, ενώ η ενισχυμένη θερμική αγωγιμότητα ενός σύνθετου υλικού με 0,3 wt% φόρτωση τυχαία διασκορπισμένων CNT είναι κάτω από 0,05W/m/K. Οι Tong et al. ανέφεραν ότι οι συστοιχίες CNT μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά ως υλικά θερμικής διεπαφής (TIM) λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς τους, την οποία αναφέρουν ως ~10^5 W/m^2/K. Τα υλικά θερμικής διεπαφής είναι υλικά που μπορούν να ενισχύσουν τη θερμική αγωγιμότητα σε επιφάνειες έχοντας υψηλές θερμικές αγωγιμότητες- είναι χρήσιμο να υπάρχουν υλικά που μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να ταιριάζουν σε οποιαδήποτε γεωμετρία. Επιπλέον, η γεωμετρία των συστημάτων VANTA επιτρέπει την ανισοτροπική μεταφορά θερμότητας. Οι Ivanov et al. διαπίστωσαν ότι η ανισοτροπική μεταφορά θερμότητας μπορεί να επιτευχθεί με τα VANTA: πέτυχαν θερμικές διαχυτότητες έως 2,10,2 cm^2/s, αναλογίες ανισοτροπίας έως 72 και βρήκαν θερμικές αγωγιμότητες μεγαλύτερες από εκείνες των υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα στη μικροηλεκτρονική. Οι ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή της συστοιχίας, οπότε οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του προϊόντος πρέπει να είναι ομοιόμορφες και αναπαραγώγιμες για ευρεία χρήση. Τα ελαττώματα στη δομή μπορούν επίσης να διαταράξουν δραστικά τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας του υλικού.

Ηλιακές κυψέλες

Κάθετα ευθυγραμμισμένες περιοδικές συστοιχίες νανοσωλήνων άνθρακα (CNT) χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία τοπογραφικά ενισχυμένων φωτοβολταϊκών κυψελών που παγιδεύουν το φως. Οι CNTs αποτελούν την οπίσθια επαφή της διάταξης και χρησιμεύουν ως ικρίωμα για τη στήριξη της φωτοενεργής ετεροεπαφής. Η επιταξία μοριακής δέσμης χρησιμοποιείται για την εναπόθεση CdTe και CdS ως υλικά τύπου p/n και η εναπόθεση με τη βοήθεια ιόντων χρησιμοποιείται για την εναπόθεση μιας σύμμορφης επίστρωσης οξειδίου ινδίου-τσινίου ως διαφανή άνω επαφή. Το φωτορεύμα που παράγεται "ανά cm2 αποτυπώματος" για τη διάταξη με βάση CNT είναι 63 φορές μεγαλύτερο από αυτό μιας εμπορικά διαθέσιμης επίπεδης διάταξης μονοκρυσταλλικού πυριτίου.

Τρανζίστορ

Τα VANTAs από SWNTs με απόλυτα γραμμικές γεωμετρίες είναι εφαρμόσιμα ως τρανζίστορ υψηλής απόδοσης p- και n-καναλιών και μονοπολικές και συμπληρωματικές λογικές πύλες. Οι άριστες ιδιότητες των διατάξεων προκύπτουν άμεσα από την πλήρη απουσία, εντός των πειραματικών αβεβαιοτήτων, οποιωνδήποτε ατελειών στις συστοιχίες, όπως ορίζονται από σωλήνες ή τμήματα σωλήνων που δεν είναι ευθυγραμμισμένα ή έχουν μη γραμμικά σχήματα. Ο μεγάλος αριθμός SWNTs επιτρέπει εξαιρετικά χαρακτηριστικά απόδοσης σε επίπεδο συσκευής και καλή ομοιομορφία μεταξύ των συσκευών, ακόμη και με SWNTs που είναι ηλεκτρονικά ετερογενείς. Μετρήσεις σε τρανζίστορ p- και n-καναλιών που περιλαμβάνουν έως και περίπου 2.100 SWNT αποκαλύπτουν κινητικότητες σε επίπεδο συσκευής και κλιμακωτή υπεραγωγιμότητα που προσεγγίζουν περίπου 1.000 cm2 V-1 s-1 και 3.000 S m-1, αντίστοιχα, και με παροχές ρεύματος έως και περίπου 1 A σε συσκευές που χρησιμοποιούν διασταυρωμένα ηλεκτρόδια.

Χαμηλό διηλεκτρικό υλικό

Τα υλικά χαμηλού κ με χαμηλές σχετικές διηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιούνται ως μονωτικά στρώματα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα για τη μείωση της χωρητικότητας σύζευξης. Η σχετική διηλεκτρική σταθερά των ηλεκτρικά μονωτικών στρωμάτων μπορεί να μειωθεί περαιτέρω με την εισαγωγή κοιλοτήτων στα υλικά χαμηλού κ. Εάν χρησιμοποιηθούν επιμήκεις και προσανατολισμένοι πόροι, είναι δυνατόν να μειωθεί σημαντικά η πραγματική τιμή κ χωρίς να αυξηθεί το ποσοστό του όγκου της κοιλότητας σε ένα διηλεκτρικό. Οι CNTs στα VANTAs έχουν υψηλό λόγο διαστάσεων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εισαγωγή επιμήκων, προσανατολισμένων πόρων σε ένα διηλεκτρικό χαμηλού-κ για την περαιτέρω μείωση της πραγματικής τιμής κ του διηλεκτρικού.

Υποστήριξη καταλύτη

Το παλλάδιο υποστηριζόμενο σε κάθετα ευθυγραμμισμένους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (Pd/VA-CNTs) χρησιμοποιείται ως καταλύτης για τις αντιδράσεις σύζευξης C-C του p-ιωδονιτροβενζολίου με στυρένιο και ακρυλικό αιθυλεστέρα υπό ακτινοβολία μικροκυμάτων. Ο καταλύτης Pd/VA-CNTs παρουσιάζει υψηλότερη δραστικότητα σε σύγκριση με το Pd που είναι υποστηριγμένο σε ενεργό άνθρακα, υπό τις ίδιες συνθήκες αντίδρασης. Λόγω της ακτινοβόλησης με μικροκύματα, η κινητική της αντίδρασης επιταχύνεται σημαντικά σε σύγκριση με εκείνη που επιτυγχάνεται με παραδοσιακό τρόπο θέρμανσης. Η μακροσκοπική μορφή του ευθυγραμμισμένου φορέα CNTs επιτρέπει την εύκολη ανάκτηση του καταλύτη, αποφεύγοντας δαπανηρές διαδικασίες διαχωρισμού μετά την αντίδραση. Επιπλέον, η αλληλεπίδραση μεταξύ της ενεργού φάσης και του φορέα οδηγεί σε αμελητέα έκπλυση παλλαδίου κατά τις δοκιμές ανακύκλωσης. Τα παρατηρούμενα αποτελέσματα δείχνουν ότι το Pd/CNTs είναι ένα ανακυκλώσιμο και σταθερό ετερογενές καταλυτικό σύστημα.

Κυψέλη καυσίμου

Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούνται από τρία σάντουιτς τμήματα: μια άνοδο, έναν ηλεκτρολύτη και μια κάθοδο, σε μια κυψέλη αντίδρασης όπου η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται στο εσωτερικό των κυψελών καυσίμου μέσω των αντιδράσεων μεταξύ ενός εξωτερικού καυσίμου και ενός οξειδωτικού παρουσία ενός ηλεκτρολύτη. Η άνοδος φιλοξενεί έναν καταλύτη που οξειδώνει το καύσιμο, μετατρέποντας το καύσιμο σε θετικά φορτισμένα ιόντα και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Το καύσιμο αυτό είναι συνήθως υδρογόνο, υδρογονάνθρακες και αλκοόλες. Ο ηλεκτρολύτης εμποδίζει τη μεταφορά των ηλεκτρονίων, ενώ παράλληλα διοχετεύει τα ιόντα. Τα ιόντα που ταξιδεύουν μέσω του ηλεκτρολύτη επανενώνονται στην κάθοδο με τα ηλεκτρόνια που περνούν από ένα φορτίο κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης με ένα οξειδωτικό για την παραγωγή νερού ή διοξειδίου του άνθρακα. Τα ιδανικά ανοδικά στηρίγματα για την εναπόθεση καταλυτικών νανοσωματιδίων είναι πορώδη αγώγιμα υλικά για τη μεγιστοποίηση της ηλεκτροκαταλυτικής δραστηριότητας. Τα VANTA είναι επομένως ιδανικά υλικά λόγω της εγγενούς υψηλής αγωγιμότητάς τους, της μεγάλης επιφάνειας και της σταθερότητάς τους στους περισσότερους ηλεκτρολύτες κυψελών καυσίμου. Ένας τυπικός καταλύτης που εναποτίθεται στις ανόδους VANTA είναι ο λευκόχρυσος, ο οποίος μπορεί να εναποτεθεί με ηλεκτροαπόθεση στα μεμονωμένα CNT του VANTA. Η ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα στην άνοδο είναι βέλτιστη όταν τα σωματίδια Pt είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα μέσα στο VANTA.

Οι Gong κ.ά. ανέφεραν ότι τα VANTAs που έχουν προστεθεί με άζωτο μπορούν να λειτουργήσουν ως ηλεκτρόδιο χωρίς μέταλλο με πολύ καλύτερη ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα, μακροπρόθεσμη σταθερότητα λειτουργίας και ανοχή στο φαινόμενο crossover από ό,τι η πλατίνα για την αναγωγή του οξυγόνου σε αλκαλικές κυψέλες καυσίμου. Σε κορεσμένο με αέρα 0,1 μοριακό υδροξείδιο του καλίου, παρατηρήθηκε δυναμικό εξόδου σταθερής κατάστασης -80 millivolts και πυκνότητα ρεύματος 4,1 milliamps ανά τετραγωνικό εκατοστό στα -0,22 volts, σε σύγκριση με -85 millivolts και 1,1 milliamps ανά τετραγωνικό εκατοστό στα -0,20 volts για ένα ηλεκτρόδιο λευκόχρυσου-άνθρακα. Η ενσωμάτωση ατόμων αζώτου που δέχονται ηλεκτρόνια στο επίπεδο άνθρακα των συζευγμένων νανοσωλήνων φαίνεται να προσδίδει σχετικά υψηλή πυκνότητα θετικού φορτίου στα γειτονικά άτομα άνθρακα. Αυτό το φαινόμενο, σε συνδυασμό με την ευθυγράμμιση των CNT με αζωτούχο ντοπάρισμα, παρέχει μια διαδρομή τεσσάρων ηλεκτρονίων για τις αντιδράσεις αναγωγής οξυγόνου σε VANTAs με εξαιρετική απόδοση.

Υπερπυκνωτές

Όπως οι συνηθισμένοι πυκνωτές, οι υπερπυκνωτές VANTA και οι ηλεκτρομηχανικοί ενεργοποιητές περιλαμβάνουν συνήθως δύο ηλεκτρόδια που χωρίζονται από ένα ηλεκτρονικά μονωτικό υλικό, το οποίο είναι ιοντικά αγώγιμο στις ηλεκτροχημικές διατάξεις. Η χωρητικότητα για έναν συνηθισμένο πυκνωτή επίπεδου φύλλου εξαρτάται αντιστρόφως ανάλογα με τον διαχωρισμό μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αντίθετα, η χωρητικότητα για μια ηλεκτροχημική διάταξη εξαρτάται από το διαχωρισμό μεταξύ του φορτίου στο ηλεκτρόδιο και του αντιφορτίου στον ηλεκτρολύτη. Επειδή ο διαχωρισμός αυτός είναι περίπου ένα νανόμετρο για τους CNT στα ηλεκτρόδια VANTA, σε σύγκριση με τους διαχωρισμούς μικρομέτρων ή μεγαλύτερων διαστάσεων στους συνήθεις διηλεκτρικούς πυκνωτές, προκύπτουν πολύ μεγάλες χωρητικότητες από την υψηλή επιφάνεια CNT που είναι προσβάσιμη στον ηλεκτρολύτη. Αυτές οι χωρητικότητες (τυπικά 15 - 200 F/g, ανάλογα με την επιφάνεια της συστοιχίας νανοσωλήνων) έχουν ως αποτέλεσμα μεγάλες ποσότητες έγχυσης φορτίου όταν εφαρμόζονται μόνο λίγα βολτ.

Οι Futaba κ.ά. ανέφεραν μια τεχνική για τη δημιουργία υπερπυκνωτών από ένα VANTA που ισοπεδώνεται με την καθίζηση των όρθιων CNTs με διαβροχή τους με ένα υγρό. Η χωρητικότητα του στερεού EDLC από SWNT εκτιμήθηκε ως 20 F g-1 από τις καμπύλες εκφόρτισης των κυψελών που φορτίστηκαν στα 2,5V για μια κυψέλη δύο ηλεκτροδίων και αντιστοιχεί σε 80 F g-1 για μια κυψέλη τριών ηλεκτροδίων. Η ενεργειακή πυκνότητα (W = CV2/2) εκτιμήθηκε σε 69,4 W h kg-1 (από 80 F g-1) όταν κανονικοποιήθηκε ως προς το βάρος του ενός ηλεκτροδίου.

Στην εργασία των Pitkänen et al. παρουσιάζεται η αποθήκευση ενέργειας στο τσιπ με τη χρήση αρχιτεκτονικών από εξαιρετικά ευθυγραμμισμένους κάθετους νανοσωλήνες άνθρακα που λειτουργούν ως υπερπυκνωτές, οι οποίοι είναι ικανοί να παρέχουν μεγάλες χωρητικότητες της διάταξης. Η αποδοτικότητα αυτών των δομών αυξάνεται περαιτέρω με την ενσωμάτωση ηλεκτροχημικά ενεργών νανοσωματιδίων, όπως το MnOx, ώστε να σχηματίζονται ψευδοπυκνωτικές αρχιτεκτονικές, ενισχύοντας έτσι την ειδική χωρητικότητα σε 37 mF/cm2.

Μπαταρίες

Σε αντίθεση με τους υπερπυκνωτές, όπου ο διαλύτης του ηλεκτρολύτη δεν συμμετέχει στον μηχανισμό αποθήκευσης φορτίου, ο διαλύτης του ηλεκτρολύτη συμβάλλει στην ενδιάμεση φάση στερεού-ηλεκτρολύτη στις μπαταρίες. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται συνήθως από μια άνοδο ενεργού άνθρακα, μια κάθοδο οξειδίου λιθίου-κοβαλτίου και έναν οργανικό ηλεκτρολύτη. Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση του ηλεκτροδίου από τα δίκτυα τυχαίων CNTs και τα σύνθετα CNTs, χρησιμοποιούνται VANTAs που παρέχουν καλύτερη μεταφορά ηλεκτρονίων και μεγαλύτερη επιφάνεια.

Τα νανοδομημένα υλικά κερδίζουν αυξημένη προσοχή λόγω της δυνατότητάς τους να μετριάσουν τους σημερινούς περιορισμούς των ηλεκτροδίων. Ωστόσο, είναι δυνατή η χρήση κάθετα ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (VA-MWNTs) ως ενεργό υλικό ηλεκτροδίου σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Σε χαμηλά ειδικά ρεύματα, αυτοί οι VA-MWNTs έχουν δείξει υψηλές αντιστρεπτές ειδικές χωρητικότητες (έως 782 mAh g-1 σε 57 mA g-1). Η τιμή αυτή είναι διπλάσια από τη θεωρητική μέγιστη τιμή για το γραφίτη και δέκα φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη μη ευθυγραμμισμένη τιμή τους. Είναι ενδιαφέρον ότι σε πολύ υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης, τα ηλεκτρόδια VA-MWNT διατηρούν μια μέτρια ειδική χωρητικότητα λόγω της ευθυγραμμισμένης φύσης τους (166 mAh g-1 σε 26 A g-1). Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι τα VA-MWNT είναι καλοί υποψήφιοι για ηλεκτρόδια μπαταριών ιόντων λιθίου που απαιτούν υψηλή ικανότητα ρυθμού και χωρητικότητα.

Μελλοντικές δυνατότητες

Διαστημικός ανελκυστήρας

Λόγω της υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό και του μεγάλου λόγου διαστάσεων των νανοσωλήνων άνθρακα, οι VANTAs είναι ένα πιθανό υλικό πρόσδεσης για την ιδέα του διαστημικού ανελκυστήρα.

Αντικατάσταση πυριτίου σε τρανζίστορ επόμενης γενιάς

Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν πολύ υψηλότερη κινητικότητα φορέων από το πυρίτιο και συνεπώς μπορούν να είναι πολύ ταχύτεροι και πιο αποδοτικοί ενεργειακά όταν χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά ως αντικαταστάτες του πυριτίου.

Προκλήσεις που εμποδίζουν την εμπορική αξιοποίηση

Υπάρχουν τρία κύρια ζητήματα που εμποδίζουν την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας που βασίζεται σε νανοσωλήνες άνθρακα σε ευρύτερη κλίμακα: Η υψηλή αντίσταση σύνδεσης λόγω της πολύ μικρής επιφάνειας επαφής και η τοποθέτηση των νανοσωλήνων ακριβώς (ανάλυση νανομέτρου) εκεί που πρέπει να μπουν στο κύκλωμα. Έχουν γίνει πολλές εργασίες για τη μείωση της αντίστασης επαφής στις διατάξεις νανοσωλήνων άνθρακα. Ερευνητές στο UC Berkeley διαπίστωσαν ότι η προσθήκη ενός διεπιφανειακού στρώματος γραφίτη κατά τη σύνθεση μείωσε την αντίσταση σύνδεσης. Οι ερευνητές της IBM Watson έχουν επίσης προσαρτήσει χημικά ικριώματα στο σημείο επαφής της βάσης του νανοσωλήνα, με παρόμοιο αποτέλεσμα.