Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7431

Dielectrophoresis of Single-Walled Carbon Nanotubes

Sabine Blatt

Abstract
This work was focused on the behavior of single-walled carbon nanotubes under the influence of dielectrophoretic forces. In particular, it aimed at an understanding of the basic processes in dielectrophoretic separation and assembly experiments. By dielectrophoretic deposition onto interdigitated electrode arrays continuous films of carbon nanotubes were produced, in which metallic and semiconducting nanotubes possess a significantly different degree of alignment with respect to the electric field. These findings were explained with an advanced theoretical model for nanotube dielectrophoresis, which takes into account the structural and dielectric anisotropy of single-walled carbon nanotubes. An experiment was designed to measure the degree of alignment of dispersed single-walled carbon nanotubes under variation of the applied electric field, from which—according to the theoretical predictions—the dielectric properties of the nanotubes can be derived. First results revealed a weak dependence of the alignment on the electric field. The possibility of separating metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes by electrodeless dielectrophoresis through nanopores was studied under various experimental conditions. The results suggest that after an optimization of the process parameters, electrodeless dielectrophoresis might be suited for an upscaling of the separation of single-walled carbon nanotubes. Additionally, finite element simulations were carried out to visualize the electric potential and dielectrophoretic force fields in various electrode setups. The results allowed for an interpretation of experimental observations regarding the influence of the sample substrate on the dielectrophoretic deposition of single-walled carbon nanotubes, the self-limiting single-nanotube assembly and the characterization of carbon nanotubes by voltage-contrast scanning tunneling microscopy.

Dielektrophorese von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Verhalten einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren unter dem Einfluss dielektrophoretischer Kraftfelder. Ziel der Arbeit ist es, ein grundlegendes Verständnis der fundamentalen Prozesse bei der dielektrophoretischen Trennung und Platzierung von Kohlenstoff-Nanoröhren zu erhalten. Durch dielektrophoretische Deposition auf interdigitalen Elektroden wurden kompakte Filme aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt, in denen die metallischen und halbleitenden Nanoröhren eine signifikant unterschiedliche Ausrichtung in Bezug auf das elektrische Feld aufweisen. Dieser Effekt lässt sich mit einem erweiterten theoretischen Modell für die Dielektrophorese von Kohlenstoff-Nanoröhren erklären, das die geometrische und dielektrische Anisotropie der Nanoröhren explizit berücksichtigt. Entsprechend der theoretischen Vorhersagen erlaubt eine Untersuchung der Ausrichtung suspendierter Nanoröhren unter Variation der Feldparameter die Bestimmung ihrer dielektrischen Eigenschaften. Hierzu wurde ein Experiment konzipiert, dessen erste Ergebnisse eine schwache Abhängigkeit der Ausrichtung vom elektrischen Feld zeigen. Um die Machbarkeit einer Trennung von metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren durch elektrodenlose Dielektrophorese zu untersuchen, wurde der Transport von Nanoröhren durch Nanoporen unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen studiert. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die elektrodenlose Dielektrophorese nach einer Optimierung der Prozessparameter möglicherweise ein Hochskalieren der dielektrophoretischen Separation erlaubt. Zusätzlich zu der experimentellen Arbeit wurden Finite Elemente Simulationen durchgeführt, um die Verteilung des elektrischen Potentials und der dielektrophoretischen Kraftfelder in unterschiedlichen Elektrodenanordnungen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Rechnungen erlauben die Interpretation experimenteller Befunde in Bezug auf den Einfluss des Substrats auf die dielektrophoretische Deposition von Kohlenstoff-Nanoröhren, die Selbstbegrenzung bei der dielektrophoretischen Platzierung und die Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften von Nanoröhren durch Spannungs-Kontrast Elektronenmikroskopie.

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