Seit ihrer Entdeckung durch Iijima im Jahr 1991 wird erwartet, dass Kohlenstoff-Nanoröhren sämtliche neue Technologien ermöglichen werden. Da ihre Bandlücke durch ihren Durchmesser definiert ist, können sie als Halbleiter mit scharfen Absorptionsbanden im Infrarot- und UV-VIS-Bereich verwendet werden, was sie für die Optik und Photonik sehr interessant macht. Darüber hinaus weisen sie eine der größten bekannten intrinsischen Ladungs- und Phononenmobilitäten auf, wodurch sie sich wiederum als metallische Verbindungselemente in der Elektronik oder als Wärmemanagementsysteme für Hochleistungselektronik anbieten. Dank der Fortschritte bei der Synthese und den Sortierverfahren sind immer weitere Typen von Kohlenstoffnanoröhren in größeren Mengen verfügbar. Dennoch besteht weiterhin eine große Herausforderung darin, ihre Position und Ausrichtung in Anwendungsfällen zu kontrollieren. Daher konzentrieren sich viele Forschungsarbeiten heutzutage auf die Ausrichtung von Kohlenstoffnanoröhren in dünnen Filmen, was auch das Thema dieser Arbeit darstellt. Vor nicht allzu langer Zeit (2016) hat eine neue Methode zur Ausrichtung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren für Aufsehen gesorgt, da sie die Herstellung großflächiger hochausgerichteter Filme ermöglicht, welche sich über mehrere Quadratzentimeter erstrecken. Die so genannte Filtrationsmethode, die aus einem sehr langsamen Sackgassen-Filtrationsprozess besteht, erfordert scheinbar nur eine gewöhnliche Laborausrüstung und mäßige praktische Fähigkeiten, aber dennoch berichten viele Gruppen, dass sie nicht in der Lage sind, die erstaunlichen Ergebnisse von He et al. zu reproduzieren, was zur Schlussfolgerung führt, dass viele Faktoren, die diese Ausrichtung ermöglichen, unbekannt sein könnten.

Um die Mechanismen hinter dieser Methode zu erforschen und die Fläche, die Qualität der Ausrichtung, die verwendbaren Kohlenstoffnanoröhren und die Reproduzierbarkeit zu verbessern, zielt diese Arbeit darauf ab, einige dieser Faktoren zu erörtern. Hierbei wird versucht, diese Faktoren zu isolieren und die Ergebnisse mit Hilfe eines selbstgebauten mikrofluidischen Filtrationsaufbau anzuwenden. Zunächst werden die üblicherweise verwendeten Polycarbonat-Membranen anhand des Filtrationswiderstandes und des Zeta-Potentials eingeordnet und Experimente mit unterschiedlicher Ionenstärke und Tensidkonzentration durchgeführt, um ein grundlegendes Verständnis der Membranladungen zu erlangen. Ähnlich wie bei den Membranen, werden auch die Zeta-Potentiale der Kohlenstoffnanoröhren-Dispersionen für verschiedene Tenside und deren Konzentrationen gemessen, um deren Stabilität zu bestimmen. Im nächsten Schritt werden die präzisen Fluss- und Druckmessungen des maßgeschneiderten Aufbaus zur Optimierung der Filtrationsbedingungen verwendet, die aus einem anfänglichen langsamen und einem abschließenden schnellen Filtrationsschritt bestehen. Diese Daten werden anfänglich nur mit einem Typ von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren erhoben, der sich laut Literatur besser ausrichten lässt als andere. Für die Bewertung der Ausrichtung werden die Kohlenstoffnanoröhren-Filme auf der Membrane und Substraten mittels Kreuzpolarisationsmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie detailiert analysiert. Der Einfluss der langsamen Volumenrate auf die Größe und Morphologie der Kohlenstoffnanoröhrenkristalle (Domänen), wird hierbei auch mit einem Algorithmus zur Formerkennung gemessen, welcher mit Hilfe des maschinellen Lernens zuverlässig große Datensätze generieren konnte. Im Gegensatz zum langsamen Filtrationsschritt, konnte beim schnellen Filtrationsschritt fesgestellt werden, dass er keinen Einfluss auf die tatsächliche Ausrichtung hat, sondern zur Bildung von Trocknungsringen führt, die anhand von Fotos gemessen werden. Daraufhin werden auch die Abhängigkeit der Ausrichtung von der abgelagerten Masse sowie die entsprechenden Konzentrationen unter Beibehaltung der optimierten Filtrationsparametern untersucht, was schließlich zu einem großflächig ausgerichteten Film führt. Nachdem die Ausrichtung auf unbehandelten Membranen realisiert worden ist, werden mittels Heißprägen in Verbindung mit speziell angefertigten Prägescheiben uni-axiale und radiale Muster in die Membranen eingeprägt. Dabei wird der Stegabstand und Breite der uni-axialen Muster variiert, um die benötigten Mustergeometrien und Prägekraft zu untersuchen. Darüber hinaus werden radial ausgerichtete Filme mit radialsymmetrischen Lichtmustern belichtet, um eine mögliche Verwendung als optische Bauelemente zu untersuchen und Zwei-Klemmen-Widerstandsmessungen durchgeführt, um die Auswirkungen der Ausrichtung der Nanoröhren auf den elektrischen Widerstand zu beurteilen. Nachdem der Einfluss von Membranmodifizierungen auf die Ausrichtung untersucht worden ist, besteht der nächste Schritt in der Reproduktion der Ausrichtung mit längensortierten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit unterschiedlichen durchschnittlichen Durchmessern. Eine umfassende Charakterisierung mit verschiedenen makroskopische und nanoskopische Methoden wird erneut verwendet, um Trends zur Verbesserung der Ausrichtung anhand der abgelagtern Masse zu ermitteln. Um die Vergleichbarkeit mit anderen Forschungsgruppen, welche auf diesem Gebiet arbeiten, zu gewährleisten, werden die am besten ausgerichteteten Filme in dieser Arbeit zusätzlich mit Raman-Spektroskopie vermessen und durch Berechnung des zweidimensionalen Ordnungsparameters nach Bestimmung des wellenlängenabhängigen dichroitischen Verhältnisses bewertet.

Daraufhin wird eine auf Kohlenstoffnanoröhren maßgeschneiderte Derjaguin, Landau, Verwey und Overbeek Analyse mittels der Zetapotenziale, der geometrischen Daten sowohl der Kohlenstoffnanoröhren als auch der Membranen und der vorliegenden experimentellen Daten verwendet, um Modelle für die Ausrichtungsmechanismen zu erörtern, welche durch die Oberflächenmodifikation der Membran und das Vorzeichen der Ladung der Kohlenstoffnanoröhre differenziert werden. Außerdem kann mit dieser Analyse auch ein Zusammenhang zwischen dem Durchmesser und der erforderlichen Länge der Kohlenstoffnanoröhren hergestellt werden, sodass die abschließende Diskussion weitere neue Anwendungsfälle und Verbesserungen dieser vielversprechenden Methode erörtert, welche sich aus dieser Arbeit ergeben könnten.