Development and study of novel nano-structured hybrid materials based on carbon

Abstract

One of the aspects of modern materials science that has been captivating scientific interest in the last decade are low-dimensionality systems, mostly because of their physical, chemical and biological properties which are widely different from their bulk material. By the use of bottom-up synthetic methods, the control of the products in nanoscale is possible, aiming at the same time at producing novel hybrid nano-materials. Towards this aim, the main subject of this dissertation was the design, development, characterization and study of novel low-dimensional hybrid materials based on carbon. Carbon nanotubes encapsulating tin and tin-lead superconducting nanowires as well as magnetic manganese-bismuth nanorods were formed using the conventional catalytic chemical vapor deposition method. The products were examined by the use of a combination of analytical techniques such as XRD, Raman and Mössbauer spectroscopies, DTA/TG, TEM, SEM and SQUID. Additionally, a new graphene oxide form was prepared using for the first time as pristine material ‘Kish’ graphite and high quality of monolayers were formed using the Langmuir-Blodgett technique. The produced graphene oxide was examined by the use of XRD, Raman and FT-IR spectroscopies while the produced thin films were examined by TEM microscopy. Finally a new low-dimensional Prussian Blue Analogue was produced during a controllable on-surface reaction and the so-called ‘inverted’ Langmuir-Blodgett method. The success of the reaction was verified by XPS spectroscopy and HRTEM/EDX/SAED results. The obtained final hybrid materials are expected to exhibit a wide range of applications in several fields, such as electronics, gas storage, pharmaceutics, catalysis and nanosensing.

Ένας τομέας της επιστήμης των μοντέρνων υλικών που έχει αιχμαλωτίσει το επιστημονικό ενδιαφέρον την τελευταία δεκαετία είναι τα χαμηλοδιάστατα συστήματα, κυρίως εξαιτίας των φυσικών, χημικών και βιολογικών τους ιδιοτήτων, οι οποίες είναι μακράν διαφορετικές από αυτές των αντίστοιχων bulk υλικών. Με τη χρήση ‘bottom-up’ συνθετικών μεθόδων είναι εφικτός ο έλεγχος των προϊόντων στη νανοκλίμακα, στοχεύοντας ταυτόχρονα στην παραγωγή καινοτόμων υβριδικών νανο-υλικών. Σ’ αυτή την κατεύθυνση, το κύριο αντικείμενο της διατριβής αυτής ήταν ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη καινοτόμων χαμηλοδιάστατων υβριδικών υλικών βασισμένων στον άνθρακα. Νανοσωλήνες άνθρακα με ενσωματωμένα υπεραγώγιμα νανοκαλώδια κασσιτέρου και κασσιτέρου-μολύβδου καθώς και μαγνητικές νανοράβδοɩ μαγγανίου-βισμουθίου σχηματίστηκαν με χρήση της συμβατικής τεχνικής της καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών. Τα προϊόντα χαρακτηρίστηκαν με ένα συνδυασμό αναλυτικών τεχνικών όπως XRD, φασματοσκοπίες Raman και Mössbauer, DTA/TG, TEM, SEM και SQUID. Επιπρόσθετα, παράχθηκε ένας νέος τύπος οξειδίου του γραφενίου χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά ως πρώτη ύλη ‘Kish’ γραφίτη και συντέθηκαν μονομοριακά υμένια υψηλής ποιότητας με τη χρήση της τεχνικής Langmuir-Blodgett. Το παραχθέν οξείδιο του γραφενίου διερευνήθηκε με χρήση XRD, φασματοσκοπίες Raman και FT-IR ενώ τα σχηματισθέντα λεπτά υμένια μελετήθηκαν με μικροσκοπία TEM. Τέλος, ένα νέο χαμηλοδιάστατο Prussian Blue Analogue παράχθηκε μέσω μιας ελεγχόμενης επιφανειακής αντίδρασης και με τη χρήση της επονομαζόμενης ‘αντεστραμμένης’ τεχνικής Langmuir-Blodgett. Η επιτυχία της αντίδρασης επιβεβαιώθηκε μέσω φασματοσκοπίας XPS και των αποτελεσμάτων HRTEM/EDX/SAED. Τα ληφθέντα τελικά υβριδικά υλικά αναμένεται να παρουσιάζουν ευρύ πεδίο εφαρμογών σε διάφορα πεδία, όπως ηλεκτρονική, αποθήκευση αερίων, φαρμακευτική, κατάλυση και νανο-αισθητήρες.