Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/IACO-8NFRLY
Tipo: Tese de Doutorado
Título: Estudo da interação de nanotubos de carbono com substrato de quartzo cristalino.
Autor(es): Jaqueline dos Santos Soares
Primeiro Orientador: Ado Jorio de Vasconcelos
Primeiro membro da banca : Edmar Avellar Soares
Segundo membro da banca: Flavio Orlando Plentz Filho
Terceiro membro da banca: Rodrigo Barbosa Capaz
Quarto membro da banca: Valtencir Zucolotto
Resumo: Os nanotubos de carbono parede única (SWNTs) são estruturas quasi-unidimensional que podem ser descritos como uma folha de grafeno enrolada na forma de um cilindro. Devido à sua relação de aspecto entre volume e superfície, SWNTs são fortemente afetados por mudanças ambientais. O contato com o substrato modifica as propriedades do nanotubo de carbono, e tais interações estão sendo estudadas tanto como um problema ou uma solução para o desenvolvimento da nanotecnologia baseada em nanotubo. Pesquisadores tèm estudado a interação de SWNT com diferentes substratos, e o substrato de quartzo foi identificado como um substrato promissor para o crescimento de SWNTs com estruturas complexas. Recentemente, combinando superfície e crescimento direcionado foi possível realizar a formação controlada de serpentinas de nanotubos de carbono de parede única na superfície de quartzo cristalino. Neste trabalho investigamos as propriedades dessas serpentinas de SWNTs através de medidas de espalhamento Raman, para obter informação sobre a interação de nanotubos de carbono com o substrato de quartzo. O efeito de interação entre o nanotubo e o substrato pode ser modulado e medido ao longo do mesmo nanotubo, como apresentaremos neste trabalho. Primeiramente estudamos os espectros do modo de respiração radial (RBM) das serpentinas de SWNT e mostramos que o substrato cristalino afeta fortemente tanto a frequência do RBM quanto as energias de ressonância, quando comparados com outras amostras. Com isso, apresentaremos o gráfico de Kataura para nanotubos de carbono em tais substratos. Continuando nosso estudo do sistema SWNT-substrato, observamos que o espectro Raman de serpentinas de SWNT depende da morfologia entre o tubo e o substrato, e encontramos três casos. Em alguns casos, esse sistema apresenta um mistura de comportamento metálico e semicondutor, dependente da orientação entre o nanotubo e o substrato. Microscopia de força elétrica e calculos ab initio mostraram que as propriedades ao longo de um único SWNT são moduladas através de interação entre o SWNT e o substrato, corroborando nossos resultados de espectroscopia Raman. Os principais efeitos físicos que precisam ser revelados e estudados nesse sistema tubo-substrato são deformação mecânica e transferência de carga, e como esses efeitos variam quando mudamos a orientação entre o nanotubo e as ranhuras da superfície de quartzo. A deformação mecânica não depende apenas da interação entre o SWNT e o substrato, mas também da dinâmica do processo iii de formação da serpentina, a qual envolve uma competição entre a interação tubo-superfície e as forças de arraste relacionadas ao fluxo de gás. Outro ponto abordado neste trabalho foi o estudo de SWNTs sob perturbações externas. Utilizando um sistema que combina espectroscopia Raman confocal e nanomanipulação por uma sonda de microscopia de força atômica, mostramos que a frequência da banda G não apresenta grande variação no ponto onde o tubo foi arrastado, no entanto, essa variação aumenta a partir do ponto de arraste e, após alguns microns, ela volta abruptamente ao mesmo valor de antes do nanotubo ser nanomanipulado. Esse resultado mostra que alguma imperfeição no substrato segurou fortemente esse tubo nessa região, criando um ponto fixo que impede a propagação da variação da frequência. Observamos também que quando arrastamos o tubo em um ponto específico, mudamos a interação entre o SWNT e o substrato, mas o tubo se move apenas no ponto onde ele foi arrastado, confirmando assim a forte interação eletrônica entre os SWNTs e o substrato de quartzo.
Abstract: Single wall carbon nanotubes (SWNTs) are quasi-onedimensional structures consisting of a rolled up graphene nanoribbon. Due to their unusually large surface-to-volume ratio, SWNTs are strongly affected by the environment. Contact with a supporting substrate modifies theirproperties, and such interactions have been broadly studied as either a drawback or a solution for developing nanotube-based nanotechnologies. Researchers have for example studied the interactionof SWNTs with different substrates, and quartz becoming identified as a promising substrate for the growth of SWNTs with complex structures. Recently, combined surface- and flow-directed growth enables the controlled formation of SWNT serpentines on top of crystallinequartz. In this work we study the properties of these single wall carbon nanotubes serpentines using Raman spectroscopy. In these serpentines, we have observed the Raman spectra to obtaininformation about nanotube-quartz substrate interaction. The tube substrate interaction can be tuned and measured along the same physical nanotube, as reported here. First, we have studied the radial breathing mode (RBM) Raman spectra of single-wall carbon nanotube serpentines. The crystalline substrate strongly affects the RBM frequency and resonance energies as compared to other types of samples. Thus, we will present the Kataura plot for carbon nanotubes on the substrate. In the next step about our study of the substrate-SWNT system, we observed that the Raman spectrum depends on the tube-substrate morphology, and in some cases, it shows that the same SWNT-on-quartz system exhibits a mixture of semiconductor and metal behavior, depending on the orientation between the tube and the substrate. We also address the problem using electric force microscopy and ab initio calculations, both showing that the electronic properties along a single SWNT are being modulated via tube-substrate interaction, and corroborate our results from Raman spectroscopy. The main physical effects that have to be revealed and studied in this tube-substrate system are strain and charge transfer and how these effects vary when changing the orientation between the nanotube and the quartz surface steps. Strain depends not only on the tube-substrate interaction but also on the dynamics of the serpentine formation process, which involves a competition between the tube- surface interaction and the gas-flow-related drag forces. We also study, in this work, SWNTs under external perturbations. We employed a system that combines confocal Raman spectroscopy and nanomanipulation by atomic force microscopy probe. The G band frequency does not show significant change at the point where the tube was dragged. However, the G band frequency change increases from the drag point and, after a few microns, it abruptly returns to the same value as before the nanotube has been nanomanipulated. This result shows the presence of imperfectionsin the substrate heldind strongly the tube, creating a fixed point that prevents the spread of frequency variation. The strong substrate-nanotube interaction allows the manipulation of themorphology of single wall carbon nanotube serpentine at the specific location. This confirms the strong electronic interaction between the carbon nanotubes and the quartz substrate.
Assunto: Microscopia de força elétrica
Microscopia eletrônica de varredura
Nanotubos de carbono de parede única
Espectroscopia de Raman
Física
Microscopia de força atômica
Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/IACO-8NFRLY
Data do documento: 24-Mar-2011
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