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Heterojunctions of Carbon Nanotubes and Silver Nanoclusters: a First Principles Study

Nicolas Anton Duchêne

Master's thesis (2019)

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Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) have garnered much interest in the past quarter century due totheir excellent electronic, mechanical, and optical properties. Diverse applications have beendevelopped using carbon nanotubes. For example, in electronics, they have been functionalizedwith metallic nanoclusters to be used as sensors. Interestingly, the performance of such sensorsdepends on the quantity of nanoclusters that are applied the CNT surface.This leads us to the following questions:How does metallic nanocluster size affect their interaction with carbon nanotubes? What arethe repercussions of these size effects on the performance of a sensor?To answer these questions, the present work revolves around the first-principles calculation,using density functional theory (DFT), of the electronic structure of carbon nanotube andmetallic nanoclusters. Given that few studies exist on the interaction of silver nanoparticlesand carbon nanotubes, we have chosen the former as to complete the current scientificliterature. Furthermore, to the authors knowledge there are no studies on the size effectsof silver nanoclusters on the electronic properties of their interface with CNTs. This workfurther sets itself apart in the care taken in parametrizing the atomic model parameters used.Finally, as to answer the second question, we have chosen to study the effect of the adsorptionof carbon monoxide. The goals of this work are to elucidate the silver nanocluster size effectson their interaction with a carbon nanotube, as well as their impact on the sensitivity of aAgNC/CNT sensing unit to CO.Two types of carbon nanotubes have been considered: a metallic CNT of chirality (5,5) and asemiconducting CNT of chirality (10,0). The size effects of the silver nanoclusters have beenstudied by considering icosahedral clusters, as to separate size effects from eventual effectsdue to cluster geometry. Clusters of 4, 13, 55, and 147 silver atoms have been considered, aswell as (111) silver surfaces that have been used as a reference point.Size effects are already present when observing isolated silver nanlcusters; the quantity ofelectronic charge per surface atom grows until a plateau is reached for nanoclusters of 55and 147 silver atoms. to properly isolate the interface of a given nanocluster with a CNTwe have optimized the unit cell length under the constraint that the charge transfer betweennanocluster and CNT be maximized. The necessary unit cell size was found to be significantlylarger than those used in previous works in the literature. Size effects on the complexeselectronic structure were studied through the calculated charge transfer, adsorption energy,and chemical bond characteristics defined by cluster-CNT interaction.

Résumé

Les nanotubes de carbone, nanostructures aux propriétés électroniques, mécaniques, et optiquesattrayantes, ont été lors de ce dernier quart de siècle le sujet de nombreuses études scientifiqueset ont su démontrer des applications plus que variées. En électronique, ils ont été utilisés enoutre comme senseurs grâce à leur fonctionnalisation avec des nanoparticules métalliques.Il s'avère que la quantité de particules métalliques se fixant sur la paroi de nanotubes decarbone ait un effet sur les performances des senseurs ainsi fabriqués.Les questions se posent :En quoi la taille d'une particule métallique peut changer son interaction avec un nanotube decarbone ? Quels sont les répercussions de la taille de la particule sur le fonctionnement d'unsenseur ?Afin de répondre à ces questions, la présente étude porte sur le calcul ab initio, au moyen dela théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), de la structure électronique de complexescomposés de nanotubes de carbone (CNT) et de nanoparticules (NC) métalliques. Étantdonné que peu d'études portent sur la structure électronique de complexes AgNC/CNT, nousavons choisis de nous concentrer sur ceux-ci. De plus ces particules sont parmi les plus utiliséesdans les applications de senseurs à base de CNT. D'autre part, peu de travaux théoriquesportent sur l'effet de taille de nanoparticules métalliques sur les propriétés électroniques deleur interface avec un nanotube de carbone. Ces travaux se démarquent d'autant plus deprécédentes études par le soin porté dans la paramétrisation des modèles atomiques utilisés.Finalement, afin d'étudier comment les interfaces peuvent être affectées par une perturbationappliquée aux nanoparticules métalliques, nous considérons l'adsorption du monoxyde decarbone sur ces-dernières. Les buts de l'étude sont donc de comprendre les effets de la tailled'une nanoparticule d'argent sur son interaction avec un nanotube de carbone, ainsi que surl'impact de la présence du CO sur les complexes AgNC/CNT.Deux types de nanotubes de carbone ont été considérés : un nanotube métallique de chiralité(5,5) et un nanotube semiconducteur de chiralité (10,0). Les effets de taille des nanoparticulesd'argent ont été étudiés en considérant des nanoparticules icosahédriques, de haute symétrie,afin de séparer les effets de taille des effets géométriques éventuels. Des particules d'argentde 4, 13, 55, et 147 atomes d'argent ont été considérées, ainsi qu'une surfaces d'argent (111)servant de référence.L'effet de la taille des nanoparticules se manifeste déjà dans le cas des particules d'argentisolées.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Alain Rochefort
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3898/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 12 Jun 2019 14:06
Last Modified: 09 Nov 2022 11:05
Cite in APA 7: Duchêne, N. A. (2019). Heterojunctions of Carbon Nanotubes and Silver Nanoclusters: a First Principles Study [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3898/

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