Ruta propuesta para fabricar nanotubos de carbono tipo n estables al aire

Ruta propuesta para fabricar nanotubos de carbono tipo n estables al aire


El desarrollo de nanotubos de carbono de tipo n (CNT) con estabilidad al aire y al calor es clave para fabricar dispositivos electrónicos y de energía eficientes. En un artículo reciente publicado en la revista Nature CommunicationsLos investigadores utilizaron una variedad de estructuras bicíclicas de amidina y guanidina como reactivos de dopaje de tipo n.

Ruta propuesta para fabricar nanotubos de carbono tipo n estables al aire​​​​​​​​​​​​​

Estudio: el dopaje de base de anillo bicíclico induce conductividad de tipo n en nanotubos de carbono con excelente estabilidad térmica en el aire. Crédito: Forance/Shutterstock.com​​​​​​​​​​​​

Debido a la presencia de un ácido conjugado estable y una funcionalidad alquilo rígida, las bases orgánicas elegidas podrían reducir fácilmente los CNT.

Dopaje de los CNT​​​​​​

Los dispositivos híbridos orgánicos-inorgánicos o de base molecular requieren material tipo n y tipo p para crear uniones p/n. En el caso de los semiconductores inorgánicos, la polaridad del material se puede cambiar mediante tecnología de dopaje. Además, la densidad y el tipo de portador de carga determinan la polaridad del material y, por lo tanto, las funciones del componente correspondiente. Desde el comienzo de la investigación de CNT, la caracterización espectroscópica y los reactivos de dopaje han ayudado a explorar los efectos del dopaje.

El dopaje del portador de carga de los CNT depende de la transferencia de carga entre el sistema de electrones π del CNT y los dopantes atrapados en el interior o en la superficie del nanotubo. Mientras que los materiales que aceptan electrones inducen un estado dopado p en CNT, los materiales donantes de electrones inducen estados dopados n.

El dopaje de tipo P en CNT es más fácil que el dopaje de tipo n debido a la presencia de oxígeno adsorbido en la superficie. Además, el dopaje de tipo n en los CNT es sensible al aire debido a la volatilización del dopante o la autooxidación inducida por el oxígeno atmosférico.

Esquema de dopaje por inmersión de las capas de CNT en una solución básica. b Gráficas representativas de potencia térmica (−ΔV) frente a la diferencia de temperatura suministrada (ΔT) medidas con las películas de EC1.5-CNT preparadas (tipo p) y dopadas con DBU (tipo n). Los coeficientes de Seebeck (S) se determinaron a partir de las pendientes en las parcelas (S = − ΔV/ΔT). Tenga en cuenta que el potencial del lado de baja temperatura se ha definido como tierra. © Horike, S., et al. (2022)

Conducción de tipo N inducida por dopaje en CNT a través de la base del anillo bicíclico

En el presente estudio, los investigadores utilizaron bases moleculares bicíclicas disponibles comercialmente como donantes de electrones para CNT. Probaron si las bases de guanidina bicíclicas podían inducir la estabilidad térmica en los CNT de tipo n. El análisis del portador de carga termoeléctrica reveló que el uso de un proceso basado en soluciones ayudó a convertir con éxito los CNT de tipo p fabricados en CNT de tipo n térmicamente estables.

La excelente estabilidad térmica (más de seis meses a 100 grados Celsius), el proceso de dopaje simple y la versatilidad estructural de la molécula base significaron que el método propuesto en este estudio ofreció una nueva ruta para fabricar CNT de tipo n para electrónica molecular.

resultados del estudio

Se investigó la estabilidad térmica de las películas CNT dopadas con polaridad de tipo n y, después de calentarlas a 100 grados Celsius, se midieron en el aire la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck. Los investigadores observaron un cambio significativo en la estabilidad térmica del material CNT dopado con n en el aire en función de las estructuras moleculares de la base depositada.

Los investigadores observaron que la 1,1,3,3-tetrametilguanidina (TMG) y la 1,8-diazabiciclo [5.4.0]Las películas CNT de tipo N dopadas con -7-undecano (DBU) tenían una estabilidad térmica deficiente. Después de 222 horas a 100 grados Celsius, los CNT de tipo n dopados con TMG volvieron a tipo p con una disminución en la conductividad eléctrica a 500 Siemens por centímetro. Por lo tanto, los CNT dopados con TMG sufrieron desdopado al calentarse.

La película de CNT dopada con DBU fue más estable que la película de CNT dopada con TMG. Sin embargo, su polaridad de tipo n se convirtió de nuevo en tipo p después de 696 horas de calentamiento. Al mismo tiempo, la conductividad eléctrica disminuyó en un 70 % cuando se calentó.

Bajo las mismas condiciones de calentamiento, 1,5,7-triazabiciclo [4.4.0] Las películas TBD-CNT dopadas con dec-5-eno (TBD) y metilo (Me) fueron más estables que sus contrapartes dopadas con TMG y DBU. Tanto TBD como Me-TBD mostraron un coeficiente de Seebeck negativo después de aproximadamente 5000 horas. Después de aproximadamente 2000 horas de calentamiento, un ligero aumento en los coeficientes negativos de Seebeck y una disminución en la conductividad eléctrica indicaron el desdopado parcial en los CNT dopados con n.

Durante el funcionamiento, los dispositivos electrónicos y energéticos se calientan. Por lo tanto, es crucial mantener la estabilidad física de los materiales y la estabilidad térmica del dopaje de tipo n.

La diferencia en la estabilidad basada en la estructura molecular de las bases se debió a la diferencia en (i) la capacidad de adsorción superficial de las bases en los nanotubos o su volatilización, (ii) la estabilización del estado dopado con n de CNT y (iii) la capacidad de bloquear las impurezas de oxígeno del aire que conducen al dopaje.

Entre las bases consideradas para el estudio (DBU, TBD, TMG y Me-TBD), las películas CNT dopadas con TBD y Me-TBD mostraron los factores de potencia más altos independientemente de la concentración de dopante en la solución de dimetilformamida (DMF). Además, los factores de potencia más altos para el dopaje TBD se lograron utilizando solventes apróticos polares debido a conductividades eléctricas más altas.

Conclusión

En resumen, los investigadores han aplicado con éxito las superbases orgánicas y han convertido los nanotubos de carbono de tipo p así preparados en sus homólogos de tipo n con coeficiente de Seebeck negativo, buena estabilidad térmica en el aire y excelente conductividad eléctrica. La transferencia de electrones desde la guanidina de anillo bicíclico a los nanotubos de carbono se logró incluso a temperatura ambiente, y la polaridad de tipo n se mantuvo durante seis meses a 100 °C en el aire.

Basándose en estos resultados, los investigadores destacaron el potencial del diseño de estructuras moleculares para la investigación y el desarrollo de reactivos de dopaje, ya que los cambios sutiles en la estructura molecular del dopante afectaron significativamente a la estabilidad de los CNT de tipo n.

Relación

Shohei Horike, Qingshuo Wei, Kouki Akaike, Kazuhiro Kirihara, Masakazu Mukaida y Yasuko Koshiba et al. (2022) El dopaje con base de anillo bicíclico induce una conducción de tipo n en nanotubos de carbono con excelente estabilidad térmica en el aire. comunicación de la naturaleza. https://www.nature.com/articles/s41467-022-31179-6

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