Polymer interaction with macroscopic carbon nanotube fibres and fabrication of nanostructured composites

El ensamblado de nanotubos de carbono (CNT) como una fibra macroscópica en la cual están orientados preferentemente paralelos entre sí y al eje de la fibra, ha dado como resultado un nuevo tipo de fibra de altas prestaciones derivadas de la explotación eficiente de las propiedades axiales de los CNTs, y que tiene un gran número de aplicaciones potenciales. Fibras continuas de CNTs se produjeron en el Instituto IMDEA Materiales mediante el proceso de hilado directo durante la reacción de síntesis por deposición química de vapores. Uno de los objetivos de esta tesis es el estudio de la estructura de estas fibras mediante técnicas del estado del arte de difracción de rayos X de sincrotrón y la elaboración de un modelo estructural de dicho material. Mediciones texturales de adsorción de gases, análisis de micrografías de electrones y dispersión de rayos X de ángulo alto y bajo (WAXS/SAXS) indican que el material tiene una estructura mesoporosa con una distribución de tamaño de poros ancha derivada del amplio rango de separaciones entre manojos de CNTs, así como una superficie específica de 170m2/g. Los valores de dimensión fractal obtenidos mediante SAXS y análisis Barrett-Joyner-Halenda (BJH) de mediciones texturales coinciden en 2.4 y 2.5, respectivamente, resaltando el carácter de red de la estructura de dichas fibras. La estructura mesoporosa y tipo hilo de las fibra de CNT es accesible a la infiltración de moléculas externas (líquidos o polímeros). En este trabajo se estudian los cambios en la estructura multiescala de las fibras de CNTs al interactuar con líquidos y polímeros. Los efectos de la densificación en la estructura de fibras secas de CNT son estudiados mediante WAXS/SAXS. El tratamiento de densificación junta los manojos de la fibra (los poros disminuyen de tamaño), resultando en un incremento de la densidad de la fibra. Sin embargo, los dominios estructurales correspondientes a la transferencia de esfuerzo mecánica y carga eléctrica en los nanotubos no son afectados durante este proceso de densificación; como consecuencia no se produce un efecto sustancial en las propiedades mecánicas y eléctricas. Mediciones de SAXS and fibra de CNT antes y después de infiltración de líquidos confirman la penetración de una gran cantidad de líquidos que llena los poros internos de la fibra pero no se intercalan entre capas de nanotubos adyacentes. La infiltración de cadenas poliméricas de bajo peso molecular tiende a expandir los manojos en la fibra e incrementar el ángulo de apertura de los poros. Los resultados de SAXS indican que la estructura interna de la fibra en términos de la organización de las capas de tubos y su orientación no es afectada cuando las muestras consisten en fibras infiltradas con polímeros de alto peso molecular. La cristalización de varios polímeros semicristalinos es acelerada por la presencia de fibras de CNTs alineados y produce el crecimiento de una capa transcristalina normal a la superficie de la fibra. Esto es observado directamente mediante microscopía óptica polarizada, y detectado mediante calorimetría DSC. Las lamelas en la capa transcristalina tienen orientación de la cadena polimérica paralela a la fibra y por lo tanto a los nanotubos, de acuerdo con los patrones de WAXS. Esta orientación preferencial se sugiere como parte de la fuerza impulsora en la nucleación. La nucleación del dominio cristalino polimérico en la superficie de los CNT no es epitaxial. Ocurre sin haber correspondencia entre las estructuras cristalinas del polímero y los nanotubos. Estas observaciones contribuyen a la compresión del fenómeno de nucleación en CNTs y otros nanocarbonos, y sientan las bases para el desarrollo de composites poliméricos de gran escala basados en fibra larga de CNTs alineados. ABSTRACT The assembly of carbon nanotubes into a macroscopic fibre material where they are preferentially aligned parallel to each other and to the fibre axis has resulted in a new class of high-performance fibres, which efficiently exploits the axial properties of the building blocks and has numerous applications. Long, continuous CNT fibres were produced in IMDEA Materials Institute by direct fibre spinning from a chemical vapour deposition reaction. These fibres have a complex hierarchical structure covering multiple length scales. One objective of this thesis is to reveal this structure by means of state-of-the-art techniques such as synchrotron X-ray diffraction, and to build a model to link the fibre structural elements. Texture and gas absorption measurements, using electron microscopy, wide angle and small angle X-ray scattering (WAXS/SAXS), and pore size distribution analysis by Barrett-Joyner-Halenda (BJH), indicate that the material has a mesoporous structure with a wide pore size distribution arising from the range of fibre bundle separation, and a high surface area _170m2/g. Fractal dimension values of 2.4_2.5 obtained from the SAXS and BJH measurements highlight the network structure of the fibre. Mesoporous and yarn-like structure of CNT fibres make them accessible to the infiltration of foreign molecules (liquid or polymer). This work studies multiscale structural changes when CNT fibres interact with liquids and polymers. The effects of densification on the structure of dry CNT fibres were measured by WAXS/SAXS. The densification treatment brings the fibre bundles closer (pores become smaller), leading to an increase in fibre density. However, structural domains made of the load and charge carrying nanotubes are not affected; consequently, it has no substantial effect on mechanical and electrical properties. SAXS measurements on the CNT fibres before and after liquid infiltration imply that most liquids are able to fill the internal pores but not to intercalate between nanotubes. Successful infiltration of low molecular weight polymer chains tends to expand the fibre bundles and increases the pore-opening angle. SAXS results indicate that the inner structure of the fibre, in terms of the nanotube layer arrangement and the fibre alignment, are not largely affected when infiltrated with polymers of relatively high molecular weight. The crystallisation of a variety of semicrystalline polymers is accelerated by the presence of aligned fibres of CNTs and results in the growth of a transcrystalline layer perpendicular to the fibre surface. This can be observed directly under polarised optical microscope, and detected by the exothermic peaks during differential scanning calorimetry. The discussion on the driving forces for the enhanced nucleation points out the preferential chain orientation of polymer lamella with the chain axis parallel to the fibre and thus to the nanotubes, which is confirmed by two-dimensional WAXS patterns. A non-epitaxial polymer crystal growth habit at the CNT-polymer interface is proposed, which is independent of lattice matching between the polymer and nanotubes. These findings contribute to the discussion on polymer nucleation on CNTs and other nanocarbons, and their implication for the development of large polymer composites based on long and aligned fibres of CNTs.

Atomistic modeling of Ge damage accumulation, amorphization and solid phase epitaxial regrowth

En los últimos años, el Ge ha ganado de nuevo atención con la finalidad de ser integrado en el seno de las existentes tecnologías de microelectrónica. Aunque no se le considera como un canddato capaz de reemplazar completamente al Si en el futuro próximo, probalemente servirá como un excelente complemento para aumentar las propiedades eléctricas en dispositivos futuros, especialmente debido a su alta movilidad de portadores. Esta integración requiere de un avance significativo del estado del arte en los procesos de fabricado. Técnicas de simulación, como los algoritmos de Monte Carlo cinético (KMC), proporcionan un ambiente atractivo para llevar a cabo investigación y desarrollo en este campo, especialmente en términos de costes en tiempo y financiación. En este estudio se han usado, por primera vez, técnicas de KMC con el fin entender el procesado “front-end” de Ge en su fabricación, específicamente la acumulación de dañado y amorfización producidas por implantación iónica y el crecimiento epitaxial en fase sólida (SPER) de las capas amorfizadas. Primero, simulaciones de aproximación de clisiones binarias (BCA) son usadas para calcular el dañado causado por cada ión. La evolución de este dañado en el tiempo se simula usando KMC sin red, o de objetos (OKMC) en el que sólamente se consideran los defectos. El SPER se simula a través de una aproximación KMC de red (LKMC), siendo capaz de seguir la evolución de los átomos de la red que forman la intercara amorfo/cristalina. Con el modelo de amorfización desarrollado a lo largo de este trabajo, implementado en un simulador multi-material, se pueden simular todos estos procesos. Ha sido posible entender la acumulación de dañado, desde la generación de defectos puntuales hasta la formación completa de capas amorfas. Esta acumulación ocurre en tres regímenes bien diferenciados, empezando con un ritmo lento de formación de regiones de dañado, seguido por una rápida relajación local de ciertas áreas en la fase amorfa donde ambas fases, amorfa y cristalina, coexisten, para terminar en la amorfización completa de capas extensas, donde satura el ritmo de acumulación. Dicha transición ocurre cuando la concentración de dañado supera cierto valor límite, el cual es independiente de las condiciones de implantación. Cuando se implantan los iones a temperaturas relativamente altas, el recocido dinámico cura el dañado previamente introducido y se establece una competición entre la generación de dañado y su disolución. Estos efectos se vuelven especialmente importantes para iones ligeros, como el B, el cual crea dañado más diluido, pequeño y distribuido de manera diferente que el causado por la implantación de iones más pesados, como el Ge. Esta descripción reproduce satisfactoriamente la cantidad de dañado y la extensión de las capas amorfas causadas por implantación iónica reportadas en la bibliografía. La velocidad de recristalización de la muestra previamente amorfizada depende fuertemente de la orientación del sustrato. El modelo LKMC presentado ha sido capaz de explicar estas diferencias entre orientaciones a través de un simple modelo, dominado por una única energía de activación y diferentes prefactores en las frecuencias de SPER dependiendo de las configuraciones de vecinos de los átomos que recristalizan. La formación de maclas aparece como una consecuencia de esta descripción, y es predominante en sustratos crecidos en la orientación (111)Ge. Este modelo es capaz de reproducir resultados experimentales para diferentes orientaciones, temperaturas y tiempos de evolución de la intercara amorfo/cristalina reportados por diferentes autores. Las parametrizaciones preliminares realizadas de los tensores de activación de tensiones son también capaces de proveer una buena correlación entre las simulaciones y los resultados experimentales de velocidad de SPER a diferentes temperaturas bajo una presión hidrostática aplicada. Los estudios presentados en esta tesis han ayudado a alcanzar un mejor entendimiento de los mecanismos de producción de dañado, su evolución, amorfización y SPER para Ge, además de servir como una útil herramienta para continuar el trabajo en este campo. In the recent years, Ge has regained attention to be integrated into existing microelectronic technologies. Even though it is not thought to be a feasible full replacement to Si in the near future, it will likely serve as an excellent complement to enhance electrical properties in future devices, specially due to its high carrier mobilities. This integration requires a significant upgrade of the state-of-the-art of regular manufacturing processes. Simulation techniques, such as kinetic Monte Carlo (KMC) algorithms, provide an appealing environment to research and innovation in the field, specially in terms of time and funding costs. In the present study, KMC techniques are used, for the first time, to understand Ge front-end processing, specifically damage accumulation and amorphization produced by ion implantation and Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) of the amorphized layers. First, Binary Collision Approximation (BCA) simulations are used to calculate the damage caused by every ion. The evolution of this damage over time is simulated using non-lattice, or Object, KMC (OKMC) in which only defects are considered. SPER is simulated through a Lattice KMC (LKMC) approach, being able to follow the evolution of the lattice atoms forming the amorphous/crystalline interface. With the amorphization model developed in this work, implemented into a multi-material process simulator, all these processes can be simulated. It has been possible to understand damage accumulation, from point defect generation up to full amorphous layers formation. This accumulation occurs in three differentiated regimes, starting at a slow formation rate of the damage regions, followed by a fast local relaxation of areas into the amorphous phase where both crystalline and amorphous phases coexist, ending in full amorphization of extended layers, where the accumulation rate saturates. This transition occurs when the damage concentration overcomes a certain threshold value, which is independent of the implantation conditions. When implanting ions at relatively high temperatures, dynamic annealing takes place, healing the previously induced damage and establishing a competition between damage generation and its dissolution. These effects become specially important for light ions, as B, for which the created damage is more diluted, smaller and differently distributed than that caused by implanting heavier ions, as Ge. This description successfully reproduces damage quantity and extension of amorphous layers caused by means of ion implantation reported in the literature. Recrystallization velocity of the previously amorphized sample strongly depends on the substrate orientation. The presented LKMC model has been able to explain these differences between orientations through a simple model, dominated by one only activation energy and different prefactors for the SPER rates depending on the neighboring configuration of the recrystallizing atoms. Twin defects formation appears as a consequence of this description, and are predominant for (111)Ge oriented grown substrates. This model is able to reproduce experimental results for different orientations, temperatures and times of evolution of the amorphous/crystalline interface reported by different authors. Preliminary parameterizations for the activation strain tensors are able to also provide a good match between simulations and reported experimental results for SPER velocities at different temperatures under the appliance of hydrostatic pressure. The studies presented in this thesis have helped to achieve a greater understanding of damage generation, evolution, amorphization and SPER mechanisms in Ge, and also provide a useful tool to continue research in this field.

Structural efficiency variation with the problem size in some bending problems = Variación del rendimiento estructural con el tamaño del problema en algunos casos de flexión simple

Existe normalmente el propósito de obtener la mejor solución posible cuando se plantea un problema estructural, entendiendo como mejor la solución que cumpliendo los requisitos estructurales, de uso, etc., tiene un coste físico menor. En una primera aproximación se puede representar el coste físico por medio del peso propio de la estructura, lo que permite plantear la búsqueda de la mejor solución como la de menor peso. Desde un punto de vista práctico, la obtención de buenas soluciones—es decir, soluciones cuyo coste sea solo ligeramente mayor que el de la mejor solución— es una tarea tan importante como la obtención de óptimos absolutos, algo en general difícilmente abordable. Para disponer de una medida de la eficiencia que haga posible la comparación entre soluciones se propone la siguiente definición de rendimiento estructural: la razón entre la carga útil que hay que soportar y la carga total que hay que contabilizar (la suma de la carga útil y el peso propio). La forma estructural puede considerarse compuesta por cuatro conceptos, que junto con el material, definen una estructura: tamaño, esquema, proporción, y grueso.Galileo (1638) propuso la existencia de un tamaño insuperable para cada problema estructural— el tamaño para el que el peso propio agota una estructura para un esquema y proporción dados—. Dicho tamaño, o alcance estructural, será distinto para cada material utilizado; la única información necesaria del material para su determinación es la razón entre su resistencia y su peso especifico, una magnitud a la que denominamos alcance del material. En estructuras de tamaño muy pequeño en relación con su alcance estructural la anterior definición de rendimiento es inútil. En este caso —estructuras de “talla nula” en las que el peso propio es despreciable frente a la carga útil— se propone como medida del coste la magnitud adimensional que denominamos número de Michell, que se deriva de la “cantidad” introducida por A. G. M. Michell en su artículo seminal de 1904, desarrollado a partir de un lema de J. C. Maxwell de 1870. A finales del siglo pasado, R. Aroca combino las teorías de Galileo y de Maxwell y Michell, proponiendo una regla de diseño de fácil aplicación (regla GA), que permite la estimación del alcance y del rendimiento de una forma estructural. En el presente trabajo se estudia la eficiencia de estructuras trianguladas en problemas estructurales de flexión, teniendo en cuenta la influencia del tamaño. Por un lado, en el caso de estructuras de tamaño nulo se exploran esquemas cercanos al optimo mediante diversos métodos de minoración, con el objetivo de obtener formas cuyo coste (medido con su numero deMichell) sea muy próximo al del optimo absoluto pero obteniendo una reducción importante de su complejidad. Por otro lado, se presenta un método para determinar el alcance estructural de estructuras trianguladas (teniendo en cuenta el efecto local de las flexiones en los elementos de dichas estructuras), comparando su resultado con el obtenido al aplicar la regla GA, mostrando las condiciones en las que es de aplicación. Por último se identifican las líneas de investigación futura: la medida de la complejidad; la contabilidad del coste de las cimentaciones y la extensión de los métodos de minoración cuando se tiene en cuenta el peso propio. ABSTRACT When a structural problem is posed, the intention is usually to obtain the best solution, understanding this as the solution that fulfilling the different requirements: structural, use, etc., has the lowest physical cost. In a first approximation, the physical cost can be represented by the self-weight of the structure; this allows to consider the search of the best solution as the one with the lowest self-weight. But, from a practical point of view, obtaining good solutions—i.e. solutions with higher although comparable physical cost than the optimum— can be as important as finding the optimal ones, because this is, generally, a not affordable task. In order to have a measure of the efficiency that allows the comparison between different solutions, a definition of structural efficiency is proposed: the ratio between the useful load and the total load —i.e. the useful load plus the self-weight resulting of the structural sizing—. The structural form can be considered to be formed by four concepts, which together with its material, completely define a particular structure. These are: Size, Schema, Slenderness or Proportion, and Thickness. Galileo (1638) postulated the existence of an insurmountable size for structural problems—the size for which a structure with a given schema and a given slenderness, is only able to resist its self-weight—. Such size, or structural scope will be different for every different used material; the only needed information about the material to determine such size is the ratio between its allowable stress and its specific weight: a characteristic length that we name material structural scope. The definition of efficiency given above is not useful for structures that have a small size in comparison with the insurmountable size. In this case—structures with null size, inwhich the self-weight is negligible in comparisonwith the useful load—we use as measure of the cost the dimensionless magnitude that we call Michell’s number, an amount derived from the “quantity” introduced by A. G. M. Michell in his seminal article published in 1904, developed out of a result from J. C.Maxwell of 1870. R. Aroca joined the theories of Galileo and the theories of Maxwell and Michell, obtaining some design rules of direct application (that we denominate “GA rule”), that allow the estimation of the structural scope and the efficiency of a structural schema. In this work the efficiency of truss-like structures resolving bending problems is studied, taking into consideration the influence of the size. On the one hand, in the case of structures with null size, near-optimal layouts are explored using several minimization methods, in order to obtain forms with cost near to the absolute optimum but with a significant reduction of the complexity. On the other hand, a method for the determination of the insurmountable size for truss-like structures is shown, having into account local bending effects. The results are checked with the GA rule, showing the conditions in which it is applicable. Finally, some directions for future research are proposed: the measure of the complexity, the cost of foundations and the extension of optimization methods having into account the self-weight.