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Investigation and Modification of Charge Transport in Semiconducting Carbon Nanotube Networks

Brohmann, Maximilian

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Abstract

The extraordinary mechanical and charge transport properties of semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWNTs) make them a promising material for solution-processable, flexible and stretchable electronics. Many of these remarkable features are even obtained in randomly-oriented SWNT networks that are compatible with established large-scale thin-film processes based on printing techniques or optical lithography. Given the enormous progress in the purification of solely semiconducting nanotubes as well as in the preparation of SWNT networks with a uniform and defined morphology in recent years, their widespread application as active layers in field-effect transistors (FETs) has become feasible. Likewise, this progress raised subsequent questions of what key parameters determine the charge transport processes across these networks and how they can further be optimized.

This thesis investigates charge transport and its limitations in polymer-sorted semiconducting SWNT networks with a focus on the precise nanotube network composition. The employed FET geometry enabled a reproducible and undistorted analysis of composition- and temperature- dependent transport parameters such as the charge carrier mobility. A comparison between nanotube networks with various selected or even precisely defined SWNT species distributions and average tube diameters reveals that additional energy barriers created at the junctions of adjacent nanotubes with different diameters result in inferior transport properties. While the network charge transport was formerly considered to be solely limited by the charge transfer across these inter-nanotube junctions, the results of this work imply that also the transport within each individual SWNT is important. The specific diameter dependence of this intra-nanotube transport can rationalize the substantially higher carrier mobilities observed for large-diameter networks with a certain SWNT bandgap distribution compared to monochiral networks that contain only a single small-diameter nanotube species. These findings suggest that composition optimizations for SWNT network FETs with maximum carrier mobilities should aim at monochiral large-diameter nanotubes.

Aside from insights into the underlying transport mechanisms, this work demonstrates a novel approach to intentionally modify charge transport in semiconducting SWNT network FETs by adding photochromic spiropyran compounds to the dielectric layer. The strong impact of the spiropyran and its photoinduced isomerization to merocyanine on the charge carrier mobilities give these transistors the properties of basic optical memory devices. Upon UV illumination the carrier mobilities are severely reduced until their recovery is induced by annealing or illumination with visible light. This implemented light responsiveness illustrates the fundamental suitability of SWNT network FETs for multifunctional applications beyond integrated circuits.

Translation of abstract (German)

Die außergewöhnlichen mechanischen und Ladungstransporteigenschaften von halbleitenden einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (engl. Single-Walled Carbon Nanotubes, SWNTs) machen diese zu einem vielversprechenden Material für lösungsprozessierbare, flexible und dehnbare elektronischer Bauteile. Viele dieser bemerkenswerten Eigenschaften bleiben selbst in zufällig ausgerichteten, halbleitenden Kohlenstoffnanoröhrennetzwerken erhalten, welche zudem eine hohe Kompatibilität mit gängigen Dünnschichtprozessen, wie beispielsweise Druckprozessen oder der optischen Lithographie, aufweisen. Der enorme Fortschritt sowohl bei der Aufreini- gung von halbleitenden Nanoröhren als auch bei der Herstellung von Nanoröhrennetzwerken mit einer homogenen und definierten Morphologie führte in den vergangenen Jahren zu der weitverbreiteten Anwendung dieses Materials in der aktiven Schicht von Feldeffekttransistoren. Gleichzeitig wirft dieser Fortschritt weiterführende Fragen bezüglich der Schlüsselparameter für den Ladungstransport in diesen Netzwerken sowie deren Optimierung auf. Diese Dissertation behandelt den Ladungstransport und seine Limitierungen in polymer- selektierten, halbleitenden SWNT-Netzwerken mit einem Hauptaugenmerk auf der jeweiligen Nanoröhrennetzwerkzusammensetzung. Die hierfür verwendete Transistorstruktur ermöglichte die reproduzierbare und unverfälschte Analyse von Ladungstransportparametern, wie der Ladungsträgermobilität, sowie deren Abhängigkeiten von der SWNT-Netzwerkzusammensetzung und der Temperatur. Der Vergleich verschiedener Nanoröhrennetzwerke mit unterschiedlichen Verteilungen an SWNT-Spezies hebt hierbei den negativen Einfluss von zusätzlichen Energiebar- rieren an den Schnittstellen zwischen SWNTs unterschiedlichen Durchmessers auf die Trans- porteigenschaften hervor. Entgegen der bisherigen Annahme, dass der Gesamtladungstransport einzig durch die Beschaffenheit dieser Schnittstellen bestimmt wird, deuten die Ergebnisse in dieser Arbeit einen zusätzlichen, signifikanten Einfluss des Transports innerhalb der Nanoröhren an. Die charakteristische Abhängigkeit dieses Transports entlang der Nanoröhren von deren Durchmesser liefert in diesem Zusammenhang eine mögliche Erklärung für die deutlich höheren Ladungsträgermobilitäten in SWNT-Netzwerken mit größeren Nanoröhrendurchmessern und einer gewissen Speziesverteilung im Vergleich zu Netzwerken, die nur eine einzige SWNT-Spezies mit geringem Durchmesser enthalten. Für die Realisierung von SWNT-Netzwerktransistoren mit maximalen Ladungsträgermobilitäten sollten zukünftige Optimierungen der Netzwerkzusam- mensetzung somit auf einzelne Nanoröhrenspezies mit großen Durchmessern abzielen. Neben diesen Einblicken in die zugrundeliegenden Transportmechanismen umfasst diese Arbeit einen neuartigen Ansatz für die gezielte Modifikation des Ladungstransports in halbleitenden Nanoröhrennetzwerktransistoren mithilfe photochromer Spiropyran-Verbindungen, die dem Dielektrikum beigemischt wurden. Das Spiropyran und insbesondere seine photoinduzierte Isomerisierung zu Merocyanin üben einen starken Einfluss auf die Ladungsträgermobilitäten aus, was diesen Transistoren die grundlegenden Eigenschaften optisch schaltbarer Bauteile verleiht. Die Bestrahlung mit UV-Licht führt zu einer erheblichen Reduktion der Ladungsträgermobilität, die durch Erhitzen oder Bestrahlung mit sichtbaren Licht wiederhergestellt werden kann. Das auf diese Weise umgesetzte optische Schaltverhalten veranschaulicht die grundsätzliche Eignung von SWNT-Netzwerktransistoren für multifuntionale Anwendungen, die über integrierte Schaltkreise hinausgehen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Zaumseil, Prof. Dr. Jana
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 18 December 2020
Date Deposited: 12 Feb 2021 10:10
Date: 2021
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Dekanat der Fakultät für Chemie und Geowissenschaften
Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
540 Chemistry and allied sciences
600 Technology (Applied sciences)
620 Engineering and allied operations
Controlled Keywords: Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhre, Feldeffekttransistor, Ladungstransport, Optischer Schalter, Spiropyrane
Uncontrolled Keywords: Nanotube Network, Polymer-wrapping, Random Resistor Network Model, Optical Switch, Single-walled Carbon Nanotube
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