Geri Dön

Synthesis, characterization and functionalization of vertically aligned carbon nanotube arrays

Dik olarak hizalanmış karbon nanotüplerin sentezlenmesi, karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 336905
  2. Yazar: GÖKÇE KÜÇÜKAYAN DOĞU
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ERMAN BENGÜ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: dik hizalanmış karbon nanotüpler, lityum katkılandırılması, yapı iskelesi, kimyasal buhar kaplama, fiziksel buhar kaplama, uygulama, vertically aligned carbon nanotubes, lithium intercalation, scaffold, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, growth mechanism, application
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 219

Özet

Son on yıllık süreçte, karbon nanotüplerin çeşitli uygulama alanlarındakikullanımı üzerine olan ilgi nanotüplerin eşsiz yapısal, elektriksel, mekaniksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı hızla artmıştır. Son zamanlarda çeşitlenen karbon nanotüp üretim metotlarıyla artık bu yapıları üretmek zor değildir. Önemli olan karbon nanotüplerin yüksek miktarda üretimini ve kitlesel uygulamalardaki kullanımını yaygınlaştırmaktır. Bunları gerçekleştirmek iseşunlara bağlıdır; fonksiyonel iki ve/veya üç boyutlu yapılar için yönlenmiş ve uygun yoğunlukta karbon nanotüp büyütülmesinde kontrol sağlanması ve yapısal özelliklerinin kolay bir şekilde değiştirilmesidir. Bu problemlerden yola çıkarak tezde, dik olarak hizalanmış karbon nanotüplerin (VA-CNT) büyümedinamiği incelenmiştir. Tezin ilk kısmı VA-CNT? lerin yeni tasarlanan alkol katalizörlü kimyasal buhar kaplama tekniği ile sentezlenmesini açıklamaktadır. Büyüme mekanizmasını anlamak için yapılan deneylerde kullanılan katalizör tabakaları fiziksel buhar kaplama metodu ile kaplanmıştır. VA-CNT? lerin yoğunluklarının ve yönlenmesinin ayarlanması yüzey altı difüzyon ile katalizör parçacıklarının yüzeydeki göçü arasında rekabet eden mekanizmayı göz önüne alarak katalizör tabakalarının farklı şekilde düzenlenmesi ile sağlanmıştır. Ayrıca, katalizör tavlama parametreleri daha uzun ve daha iyi hizalanmış karbon nanotüpler üretmek için incelenmiştir. Katalizör tabakalarının ve karbon nanotüplerin karakterizasyonları taramalı Elektron Mikroskobu, Raman Spektroskopisi, Atomik Kuvvet Mikroskobu, X-ışını Fotoeletron Spektroskopisi, Elektron Enerjisi Kayıp Spektroskopisi, Yüksek Çözünürlüklü Geçirgenli Elektron Mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir.İkinci kısımda, VA-CNT? lerin büyüme mekanizmalarını daha iyi anlamak içinsentez sıcaklığı, sentez basıncı, karbon kaynağı tipi ve konsantrasyonu gibi üretim parametrelerinin etkileri belirli değer aralıklarında incelenmiştir. İlgili sıcaklıkta karbon kaynaklarının bozulma tepkimelerinin etkisiyle karbon nanotüplerde fiziksel ve yapısal dönüşümler gözlenmiştir. Ayrıca, farklı konsantrasyonlarda ve basınçlarda kullanılan karbon kaynağı ile sentezlenen VA-CNT? lerin uzunlukları kullanılarak en verimli karbon nanotüp üretme aralığı bulunmuştur.Tezde kullanılan sentez metodu reaksiyon kinetiğinin VA-CNT? lerin büyümesine etkisi olan katalitik temelli bir süreç olmasına rağmen moleküler difüzyon büyüme mekanizması da VA-CNT? lerin boyutlarında, yapılarında ve hizalanmalarında önemli bir rol oynamaktadır. Bundan ötürü, karbon nanotüplerin büyümesinin sonlanmasından sorumlu etkiyi bulmak için kullanılan yaklaşımdaki hesaplamalarda kinetik ve difüzyon temelli süreçler göz önüne alınmıştır. Tezin takip eden bölümlerinde, karbon nanotüp temelli iki ve üç boyutlu yapıların olası uygulama alanı için lityumun (Li) karbon nanotüp yapısında araya ilave edilmesi ve karbon nanotüpler üzerinde hücre büyütülmesi üzerine ön çalışma yapılmıştır. Li? un karbon nanotüp yapısında araya ilave edilmesi literatürde yaygın bir biçimde büyüme basamağından sonra ek işlemler ile yapılırken, tezde Li? un yapıya ilave edilmesi karbon nanotüplerin büyümesiyle eş zamanlı olarak tek basamakta gerçekleştirilmiştir. Yapıya Li? un ilave edilmesi, X-ışını Fotoeletron Spektroskopisi, Elektron Enerjisi Kayıp Spektroskopisi ve Raman Spektroskopisi kullanılarak teyit edilmiştir. İkinci uygulama alanında VA-CNT? ler mezenkimal kök hücrelerin büyütülmesinde yapı iskelesi olarak incelenmiştir. Karbon nanotüplerle kaplı yüzeyler ?elasto-capillary? mekanizmasından faydalanarak hücrelerin tutunabileceği karbon nanotüp yuvaları oluşturmak için şekillendirilmişlerdir.Daha sonra hücrelerin yaşlanmasının yüzeylere yapışmaya olan etkisiincelenmiştir. Ayrıca, hücre yaşayabilme testi karbon nanotüp yuvalarının üzerine ekilen hücrelerde gerçekleştirilmiş ve karbon nanotüplerin yapı iskelesi olarak kullanıldığında hücrelerde herhangi bir zehirlenme etkisi görülmemiştir. Sonuç olarak tezde kullanılan sıcaklık, basınç ve karbon kaynağı gibi çeşitli sentez parametreleri ile VA-CNT? lerin yüzeysel ve yapısal özelliklerinin kontrol edilebileceği görülmüştür. Dolayısıyla, gerçekleştirilen iki ön çalışma yoğun ve hizalanmış karbon nanotüplerin Li iyon pillerinde anot malzemesi ve doku mühendisliği uygulamasında alternatif yapı iskelesi olarak kullanımı üzerine bir yol sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

In the last decade, there has been an increased interest on carbon nanotubes (CNTs) for various applications due to their unique structural, electronic, mechanical and chemical properties. Synthesis of CNTs is no more a challengewith the enhancements and diversity in production techniques. The remaining challenges regarding CNTs for high-volume manufacturing and commercial applications are related to the followings; firstly, gaining control over orientation and density of CNTs during growth for building two and/or three dimensional functional structures and secondly, modulating properties of these structures through a facile route. With regards to these challenges, the growthdynamics of vertically aligned carbon nanotubes (VA-CNTs) were investigated in this thesis. The first part of this thesis explains synthesis of VA-CNTsfor understanding growth mechanism and thereby the effect of synthesis parameters. The catalyst layers were deposited on SiO2 wafers through physical vapor deposition techniques. The configuration of these catalyst layers were engineered to tune the density and alignment of VA-CNTs by considering the competing mechanism between the subsurface diffusion and migration of catalyst particles. In addition, the annealing parameters were investigated for synthesizing taller and aligned CNTs. The characterization of catalyst layers and VA-CNTs were performed using analysis of Scanning Electron Microscopy, Raman Spectroscopy, Atomic Force Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy, Electron Energy Loss Spectroscopy, High Resolution Transmission Electron Microscopy and Raman Spectroscopy. In the second part, effect of synthesis parameters such as growth temperature and pressure, carbon source type and concentration were examined to better understand the growth dynamics of VA-CNTs. Physical and structural transitions of CNTs were observed induced by the decomposition reaction processes of various carbon sources at a related growth temperature. Growth behavior of VA-CNTs was investigated under different carbon source concentration and pressure to find an optimum growth range.The results indicated that while the synthesis method followed in this work is a catalytic based process where the reaction kinetics has a profound influence on the growth of VA-CNTs molecular diffusion mechanisms were found to beplaying a key role in determining the growth, size, orientation and structural properties of VA-CNTs. Hence, an approach incorporating the kinetic and diffusion related processes were followed for building an empirical model for uncovering the dominant mechanisms responsible for the termination of growth of VA-CNTs.In the following sections of the thesis, the preliminary studies regarding Li intercalation to VA-CNTs and cell growth on CNTs were performed for possible future applications of two and three-dimensional structures based on CNTs. In situ Li intercalation was studied during the growth of VA-CNTs which does not require post processing for the intercalation mechanism as commonly performed in the existing literature. Li intercalation in the CNTs was confirmed by using X-ray Photoelectron Spectroscopy, Electron Energy Loss Spectroscopy and Raman Spectroscopy following the changes induced by the charge transfer from Li to the carbon lattice. In the second application case, used of VA-CNTs were examined as a scaffold for growing mesenchymal stem cells (MSCs). Surfaces covered with VA-CNTs were patterned by using elasto-capillary mechanism to create suitable `nests? for MSCs to be anchored. The cell viability test was conducted on seeded MSCs onCNT nests and indicated no toxic effect of CNT nests when they were used as scaffold. Furthermore, an aging effect of cells on adhesion was investigated. As a conclusion, the work presented here demonstrated that control overstructural and surface properties of VA-CNTs could be attained by taking advantage of a wide range of growth parameters such as temperature, pressure and carbon source type. Hence, the two case studies examined in this study demonstrated a path for aligned and denser CNTs synthesized with desired properties using the learnings attained in the first part of the thesis to be used as anode materials for Li ion batteries and as alternative scaffolds for tissue engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    276986

    Synthesis of vertically aligned cnt arrays using liquid based precursors and their functionalization by conjugated polymers

    Sıvı bazlı prekürsörler kullanılarak yüzeye dik karbon nanotüp sentezi ve konjuge polimerler ile işlevselleştirmesi

    BERİL BAYKAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERMAN BENGÜ

  2. Tez No

    799826

    Yüksek bor ayırma kapasitesine sahip yeni nesil ince film nanokompozit membranlar

    Novel thin film nanocomposite membranes with high boron removal capacity

    SÜER KÜRKLÜ KOCAOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

  3. Tez No

    486898

    Üst enerji dönüşümü yapabilen (upconverting) nanoyapıların sentezi, karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

    Synthesis, characterization and functionalization of upconverting nanostructures

    TUĞBA TECİM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. RÜKAN GENÇ ALTÜRK

  4. Tez No

    766775

    Synthesis, characterization, and functionalization of iron mof by graphene quantum dots utilizing moringa oleifera plant extracts

    Moringa oleifera bitki özleri kullanılarak grafen kuantum noktaları ile demir mof lerin sentezi, karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

    JONATHAN NYAN KULAH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilim ve Teknolojiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. Dr. AHMET AYKAÇ

  5. Tez No

    406412

    Formation and functionalization of boron phosphide monolayers

    Tek atomik katmanlı boron fosfor yapılarının oluşturulması ve işlevselleştirilmesi

    LÜTFİYE HALLIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENGİN DURGUN

Geri Dön