Alternative conductive coatings based on multi-walled carbon nanotubes

Abstract

The aim of this work was to develop coatings as possible replacements for tin-doped indium oxide (ITO) systems. The alternative material of choice was carbon nanotubes, due to their flexibility, the abundance of carbon element in nature, their high aspect ratio and high electrical conductivity. Focusing on cost benefits, very thin multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) were investigated rather than single-walled nanotubes (SWNTs) normally presented in the literature. Moreover, spin coating sol-gel technique was performed as a less expensive alternative to sputtering techniques used in the production of ITO films. MWNTs were studied both as pure networks as well as embedded in conductive and insulating matrixes. As networks, MWNTs presented sheet resistances as low as 20 kΩ/sq with transparency in the visible range of 87%, values comparable to some of SWNT networks presented in the literature. MWNTs were investigated as additional conductive elements in antimony-doped tin oxide (ATO) matrix. The results showed that the addition of concentrations as low as 0.1 wt.-% MWNTs is sufficient to decrease the resistivity of conducting ATO films by a factor of 16, with preserved transparency (90%) in the visible range. Less ATO nanoparticles and lower temperatures of sintering are required in order to obtain films with comparable resistivities and even higher transparency than that presented by ATO films reported in the literature. MWNTs have also provided resistivities in the order of 10 Ω.cm^-1 to an initially insulating TiO₂ matrix. The transparency of these films was, however, affected by the concentration of MWNTs necessary in order to reach the percolation threshold. Although the studied coatings did not meet the requirements necessary for a proper substitution of ITO in opto-electronic devices, their optical and electrical response as well as their low cost and simplicity of preparation allow them to be used in other applications where the high conductivity of ITO is not a requirement. The structural, optical, mechanical and electrical properties of all coatings were studied using different techniques and are demonstrated in this work.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung von Schichten als Ersatz für Zinndotiertes Indiumoxid (ITO). Das Material der Wahl waren Kohlenstoff-Nanoröhren aufgrund ihrer Flexibilität, des häufigen Vorkommens von Kohlenstoff in der Natur, ihres hohen Aspektverhältnisses und vor allem ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Während normalerweiser in der Literatur einwandige Nanoröhren (SWNTs) beschrieben werden, standen in dieser Arbeit aus Kostengründen die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWNTs) im Vordergrund. Außerdem wurde in dieser Arbeit die Rotationsbeschichtungstechnik in Verbindung mit Sol-Gel-Verfahren eingesetzt. Diese ist eine günstigere Alternative zur Sputtertechnik, welche zum Herzustellen von ITO-Schichten verwendet wird. MWNTs wurden sowohl als Netzwerke, als auch eingebunden in leitfähige und isolierende Matrices untersucht. In Netzwerken zeigten MWNTs Schichtwiderstände von 20 kΩ/sq und eine Transparenz von 87% im sichtbaren Bereich des Lichtes, was durchaus vergleichbar mit den Werten von SWNT-Netzwerken in der Literatur ist. Ferner wurden MWNTs als leitfähige Additive in Antimon-dotierten Zinnoxid (ATO) Matrices untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass bereits die Zugabe von 0.1 Gew.-% MWNTs ausreichend ist, um den Widerstand einer leitfähigen ATO-Schicht unter Beibehaltung von 90% Transparenz im Sichtbaren, um den Faktor 16 zu senken. Dadurch werden weniger ATO-Nanopartikel und niedrigere Sintertemperaturen benötigt, um Schichten mit vergleichbarem Widerstand und sogar höherer Transparenz als in der Literatur zu erhalten. Mit MWNTs ließen sich auch in einer zuvor isolierenden TiO₂-Matrix Widerstände in der Größenordnung von 10 Ω.cm^-1erreichen. Die Transparenz dieser Schichten wurde jedoch durch die Konzentration der MWNTs, die für ein Erreichen der Perkolationsschwelle nötig waren, negativ beeinflusst. Obwohl die in dieser Arbeit untersuchten Schichten die Spezifikationen, die für einen Ersatz von ITO in opto-elektronischen Elementen nötig wären, noch nicht erreicht haben, erlauben ihre optischen und elektrischen Eigenschaften, wie auch ihre niedrigen Herstellungskosten und die Einfachheit ihrer Herstellung, sie in anderen Anwendungen einzusetzen, in denen die hohe Leitfähigkeit von ITO nicht erforderlich ist. Die strukturellen, optischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften aller Schichten wurden mit verschiedenen Techniken untersucht.