Síntesis y caracterización de nanotubos de carbono y nanohilos de silicio aplicaciones tecnológicas

Resumen

El objetivo principal de este trabajo es la obtención de nanotubos de carbono verticalmente alineados y espacialmente confinados en las regiones previamente diseñadas. Los métodos que se han usado en otros trabajos [35-39] para la síntesis de nanotubos de carbono verticalmente alineados y espacialmente confinados, conllevan la deposición del catalizador en zonas concretas previemente seleccionadas. Esta deposición se realiza mediante ¿sputtering¿ con Ar+ a través de máscaras fotoresistentes [19]; así los nanotubos crecen exclusivamente en las regiones donde se encuentra el catalizador. Estas deposiciones específicas del catalizador requieren varios procesos complejos, antes del propio proceso de síntesis. En este trabajo hemos empleado dos métodos diferentes pero mucho más simples, para la deposición de los catalizadores en las regiones previemente escogidas. El primer método consiste en una deposición mediante ¿sputtering¿ a través de máscaras nanoporosas de óxido de aluminio. El trabajo desarrollado en este sentido, así como los diversos métodos de deposición de las máscaras sobre los sustratos, se presentan en el capítulo 4. Este capítulo incluye además la formación de bimembranas metálicas como refuerzo mecánico de las membranas nanoporosas de óxido de aluminio, también con el fin de emplearlas para la síntesis de nanotubos de carbono. Por otra parte, el segundo método de deposición selectiva de los catalizadores sobre los sustratos que hemos empleado, es el método de inmersión (del inglés ¿dip coating¿) de la muestra en una disolución que contenga a los catalizadores. Este es un procedimiento mucho más sencillo y económico [40 y 41], por lo tanto fácilmente escalable a nivel industrial. Este procedimiento consiste en la inmersión del sustrato en la disolución, que contiene un precursor del catalizador. Posteriormente se somete el sustrato a un tratamiento térmico con el fin de favorecer la deposición en forma de nanogotas del metal y eliminar así la parte líquida de la disolución. Este ha sido el procedimiento escogido en los capítulos 5, 6 y 7 para catalizar las muestras. Sin embargo, aunque la muestra esté compuesta de diferentes regiones, la inmersión de ésta en la disolución es completa, por lo tanto empleamos las diferencias de energías libres superficiales entre las distintas regiones para favorecer el desplazamiento del catalizador a las regiones escogidas. Es importante destacar que para que sea posible medir las propiedades emisoras de los nanotubos es necesario polarizarlos, por ejemplo sintetizándolos sobre un material conductor; nosotros hemos escogido el TiN, que además se adhiere perfectamente al sustrato de silicio, material que hemos usado como sustrato en todos los casos. El silicio, es un material semiconductor y por lo tanto poco idóneo para su uso en la emisión de campo de los nanotubos. Debido a sus propiedades como conductor eléctrico, el TiN parece favorecer la calidad de los nanotubos de carbono crecidos (menor diámetro y mayor densidad en comparación con los crecidos sobre sustratos de silicio) según se describe en los capítulos 6 y 7. En dichos capítulos se detalla también la obtención de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) y de alta calidad mediante la técnica CVD. Además en esos apartados se consiguió el crecimiento selectivo de nanotubos de carbono, espacialmente confinados en las regiones seleccionadas. Así pues, este tipo de crecimiento se podría aplicar fácilmente en nuevos dispositivos. Como ya hemos dicho el objetivo de éste trabajo es desarrollar un método simple para la obtención selectiva de SWNT, empleando la catálisis por ¿dip coating¿ y el crecimiento por CVD. Asímismo, realizar sobre superficies micro y nanoestructuradas medidas de emisión de campo de los SWNT crecidos. Estas medidas se realizaron mediante un dispositivo diseñado en el laboratorio, que recoge la emisión eléctrónica de los nanotubos, en función del área recubierta por ellos. En el capítulo 8 se describe detalladamente el sistema y los resultados obtenidos. Este capítulo comprende además otras dos aplicaciones de los materiales con base carbono tales como las nanofibras de carbono y los nanotubos de pared múltiple. Estas aplicaciones se han estudiado en colaboración directa con empresas. Uno de estos estudios ha dado lugar a una patente y el otro continúa siendo estudiado. El segundo objetivo de este trabajo ha sido la síntesis de nanohilos de silicio en diferentes estructuras y de manera ordenada. Se ha empleado el mismo sistema CVD utilizado en la síntesis de nanotubos de carbono. Los gases empleados para el crecimiento de nanohilos de silicio han sido hidrógeno y argón, tal y como se indica detalladamente en el capítulo 9. Un factor destacable de todas las síntesis realizadas es que la fuente de silicio para el crecimiento es el propio sustrato empleado, por ello no han sido necesarias fuentes adicionales.