The synthesis and characterization of carbon nanotubes in zeolites

De prestaties van micro-elektronica zijn de voorbije decennia voortduren d verbeterd door de steeds verder doorgevoerde miniaturisatie van transi storen en interconnects. Naast het voortdurende krimpen van de component en, werden ook nieuwe materialen in het productieproces van chips geïntr oduceerd om hun prestaties nog verder te verbeteren. De micro-elektronic a industrie heeft recent koolstof gebaseerde technologieën opgenomen in zijn roadmap als een van de veelbelovende nan otechnologieën om een rol te gaan spelen op de computerchip van de toeko mst. Ondanks enige successen in het maken van elektrische componenten met koo lstof nanobuisjes (carbon nanotubes, CNTs), wordt het praktische gebruik van koolstof op chips in vraag gesteld omdat er zeer strikte voorwaarde n bestaan om CNTs effectief te gaan gebruiken. Kritieke punten zijn o.a. de hoge densiteiten van CNTs die gehaald moeten worden, de selectieve g roei van een specifiek type van nanotubes (metallisch vs. halfgeleidend) , controle over de richting van de nanotubes in het device, en de compat ibiliteit van de syntheseprocedures met de huidige procestechnologieën. De huidige state-of-the-art methoden zijn nog niet in staat om al die st rikte voorwaarden te vervullen. Zeolieten zouden een potentiële route ku nnen zijn om CNTs voor interconnect toepassingen te gaan gebruiken. In het licht van de hierboven geformuleerde objectieven, was het doel va n dit werk om chiraliteitscontrole van de geoccludeerde CNTs te verkrijg en door de correlatie tussen de zeolieteigenschappen en de aard van het geoccludeerde koolstof. CNTs werden gesynthetiseerd binnenin de poreuze structuur van de zeoliet, en de nanobuisjes werden onderzocht in functie van poriegrootte en lading van het zeolietrooster, en integratie van ee n katalysator. In een eerste deel van deze thesis werd de synthese van e nkelwandige CNTs (SWCNTs) in AFI type zeolieten nader onderzocht. Gedeta illeerde en efficiënte syntheseprocedures, die in de literatuur tot nog toe ontbraken, werden geformuleerd. Een correlatie tussen de zeolieteige nschappen en de aard van het geoccludeerde koolstof werd blootgelegd, do or middel van een verdere verfijning van bestaande karakterisatietechnie ken zoals Raman- en fluorescentiespectroscopie. Anderzijds werk ook het groeimechanisme van het koolstof nanobuisje in de zeolietporie ook bestudeerd met behulp van vernieuwende technieken zoals Rietveld verfijning en gepolariseerde spectroscopische metingen. Er wer d een methodologie ontwikkeld voor de geoptimaliseerde synthese va n SWCNTs in de AFI porie, met een preferentiële chiraliteit door een gec ontroleerd pyrolyseproces. In een tweede deel van dit werk werd een evaluatie gedaan van het effect van de grootte van de zeolietporie op de geoccludeerde koolstof, door d e studie van de grote porie zeoliet VPI-5. Verschillende koolstofbronnen werden verkend en geëvalueerd, en stapels van phthalocyanine molecule n in de eendimensionale porie van de VPI-5 bleken een efficiënte precurs or voor nanotube synthese. Het effect van transitiemetalen (Ni, Fe, Co) werd ook bekeken. Concepten van chiraliteitstransfer van de zeolietporie op de geoccludeerde nanotube leidden tot een chiraal selectief proces. Door het vullen van de zeolietporie met dubbelwandige CNTs (DWCNTs), wer den zeer hoge densiteiten van metallische kanalen gemaakt. Dit zeer gele idende composiet kan zeer relevant zijn voor applicaties van koolstof na nobuisjes. Het laatste deel van dit werk verrichtte pionierswerk in de groei van ze olieten op siliciumplaatjes met geprinte patronen. Het doel was om een p roces te formuleren dat integratie van zeoliet geoccludeerde nanotube gr oei toelaat. Door gebruik te maken van een nieuwe en innovatieve methode , werden georiënteerde zeolietkristallen gegroeid op siliciumplaatjes me t patronen. Enige cruciale stappen voor het succes van deze procedure we rden gedefinieerd. Er werd aangetoond dat deze zeolietpatronen ook gebruikt kunnen worden voor geoccludeerde nanotube groei met spectrosco pische technieken. Dit is een grote stap voorwaarts naar het gebruik van zeolieten voor de integratie van koolstof nanobuisjes voor micro-elektr onica toepassingen.Table of contents Dankwoord................................................. i Table of contents....................................... iii Samenvatting............................................ vii Abstract............................................... viii Abstract................................................. ix List of abbreviations.................................... xi Chapter 1: Carbon Nanotubes, a Monodimensional Form of Carbon with Unique Properties............................. 1 1.1 Introduction.......................................... 3 1.2 Geometrical structure of CNTs......................... 4 1.3 Properties and applications of CNTs................... 7 1.3.1 Thermal properties and applications ................ 7 1.3.2 Mechanic properties and applications ............... 7 1.3.3 Electronic properties and applications.............. 9 1.3.4 Others............................................. 13 1.4 Carbon nanotube synthesis............................ 13 1.4.1 Arc discharge ..................................... 14 1.4.2 Laser ablation..................................................16 1.4.3 Chemical vapor deposition ......................... 17 1.4.4 Other methods...................................... 21 1.4.5 Templated synthesis ............................... 22 1.5 Carbon nanotube characterization .................... 30 1.5.1 Electron microscopy ............................... 31 1.5.2 Raman characterization ............................ 32 1.5.3 Photoluminescence spectroscopy..................... 37 1.6 Objectives and outline............................... 39 Chapter 2: Synthesis and Characterization of SWCNTs in AFI Type Zeolites ........................................... 41 2.1 Introduction......................................... 43 2.2 Experimental ........................................ 44 2.2.1 Synthesis of materials ............................ 44 2.2.2 Characterization of materials...................... 45 2.3 Results and discussion............................... 48 2.3.1 AFI synthesis and subsequent CNT formation......... 48 2.3.2 CNT characterization............................... 59 2.4 Conclusion........................................... 74 Chapter 3: Synthesis and Characterization of CNTs in VFI Type Zeolites ........................................... 77 3.1 Introduction......................................... 79 3.2 Experimental ........................................ 79 3.2.1 Synthesis of materials ............................ 79 3.2.2 Characterization of materials...................... 80 3.3 Results and discussion............................... 81 3.4 Conclusions.......................................... 94 Chapter 4: Integration of Zeolite Occluded CNTs on Chips. 95 4.1 Introduction......................................... 97 4.2 Experimental ........................................ 99 4.2.1 Synthesis of materials ............................ 99 4.2.2 CNT characterization on wafer..................... 100 4.3 Results and discussion.............................. 101 4.3.1 Zeolite growth on BEST02 patterned wafer ......... 101 4.3.2 Characterization with optical techniques ......... 110 4.4 Conclusion.......................................... 113 General Conclusions..................................... 115 Appendix A: General Concepts on the Synthesis of Zeolites ................................................ 119 Appendix B: A very brief introduction to Rietveld Refinement ............................................. 121 Appendix C: XRD diffractogram of AFI type reference sample.................................................. 122 Appendix D: Photoluminescence setup..................... 123 Appendix E: Photoluminescence excitation-emission plots for AlPO4-5 after pyrolysis ................................ 124 Appendix F: Rietveld Refinement on AFI system .......... 125 Appendix G: Rietveld Refinement on DWCNT in VPI-5....... 127 Appendix H: Description of BEST02 patterned wafers...... 128 List of References...................................... 129 List of Publications.................................... 139nrpages: 139status: publishe

Transition-metal-free microporous and mesoporous catalysts for the epoxidation of cyclooctene with hydrogen peroxide

Transition-metal-free microporous and mesoporous materials were studied as heterogeneous epoxidation catalysts. MCM-41-type materials and zeolites with various porous structures and aluminium or gallium content but devoid of any transition metal were prepared and tested in the epoxidation of cyclooctene with aqueous hydrogen peroxide. The most promising catalytic results were obtained with Al-MCM-41, Ga-MCM-41, and ultra-stable zeolite Y (USY) with a low Si/Al ratio. All of these catalysts have acid sites of moderate strength. With Ga-MCM-41, 95% conversion of cyclooctene with 96% selectivity toward the epoxide was reached after 24 h of reaction. The catalyst could be recycled with no loss of catalytic properties. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.status: publishe

Mapping of the organization of p-nitroaniline in SAPO-5 by second-harmonic generation microscopy

Second-harmonic generation microscopy (SHGM) has been employed to study crystals of zeolite-like material SAPO-5 filled with p-nitroaniline (PNA). The SHG and 2-photon fluorescence response of PNA in the one-dimensional channels readily reveals the pore accessibility; intergrown crystallites containing hexagonal pyramidal components and internal diffusion barriers are found next to seemingly perfect crystals. The sensitivity of second-harmonic generation to molecular orientation allowed for mapping of the domains of differently organized PNA. Dense domains of highly aligned PNA alternate with dilute zones with loosely aligned PNA.status: publishe

Experimental Investigation of CaMnO3−δ Based Oxygen Carriers Used in Continuous Chemical-Looping Combustion

Three materials of perovskite structure, CaMn1−xMxO3−δ (M = Mg or Mg and Ti), have been examined as oxygen carriers in continuous operation of chemical-looping combustion (CLC) in a circulating fluidized bed system with the designed fuel power 300 W. Natural gas was used as fuel. All three materials were capable of completely converting the fuel to carbon dioxide and water at 900°C. All materials also showed the ability to release gas phase oxygen when fluidized by inert gas at elevated temperature (700–950°C); that is, they were suitable for chemical looping with oxygen uncoupling (CLOU). Both fuel conversion and oxygen release improved with temperature. All three materials also showed good mechanical integrity, as the fraction of fines collected during experiments was small. These results indicate that the materials are promising oxygen carriers for chemical-looping combustion

Innovative Oxygen Carrier Materials for Chemical-Looping Combustion

In chemical-looping combustion, the oxygen needed for combustion of fuel is provided by metal oxides called oxygen carriers, and inherent separation of CO2 is achieved without energy penalty. For gaseous fuels, such as natural gas, Ni-based oxygen carriers have generally been shown to be the most reactive. But as Ni-based materials are burdened by high costs and environmental risks with respect to toxicity, it is of high importance to find viable non-Ni alternatives. In the EU-financed project INNOCUOUS, one of the key issues is to find novel non-Ni based oxygen carriers. In this paper results from reactivity investigations of three groups of oxygen carrier materials are reported. The materials were prepared by spray-drying, and are based on 1) CuO, 2) Ca-Mn-X-O where X = Cu, Fe, Ti and Mg, and 3) Mg-Mn-O. A number of materials showed a combination of sufficient mechanical strength, high release of gas phase oxygen and high reactivity with methane, and can thus be considered viable alternatives to Ni-based materials