定向碳納米管薄膜的熱cvd制備與其場發(fā)射特性-研究

《定向碳納米管薄膜的熱cvd制備與其場發(fā)射特性-研究》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。

1、第一章引言1．1碳納米管簡介第一章引言1991年被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的“超級纖維”一碳納米皆”，以其獨(dú)特的準(zhǔn)一維管狀分子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)及其在高科技領(lǐng)域中潛在的應(yīng)用價值，引起了世界各國科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，并由此引發(fā)了碳納米管的研究熱潮和十多年來納米科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展。碳納米管可以認(rèn)為是由單層或者多層石墨烯片層卷曲而形成的無縫、中空的管體，其兩端呈開口或封閉狀。構(gòu)成碳納米管管壁的石墨烯片層中，每個碳原子和相鄰的三個碳原子相連，形成六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。碳原子之間通過sp2雜化構(gòu)成共價鍵，因此，沿碳納米管管軸方向有極高的拉伸

2、強(qiáng)度。碳納米管的直徑一般在幾納米到幾十納米之間，長度為幾個微米甚至更長；碳納米管的直徑和長度隨制備方法和實(shí)驗(yàn)條件的變化而不同。比如；用電弧法制備的碳納米管外經(jīng)一般為20—30nm，內(nèi)徑為1-3nm；而用催化法時，其片層少，甚至為單層。由于碳納米管的長度和直徑之比為100．1000，可視之為準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)口J。目前，制備碳納米管的方法主要有電弧法、激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法(又稱催化裂解法)等。電弧法是最早用于制備碳納米管的方法，也是最主要的方法之一。其原理為石墨電極在電弧產(chǎn)生的高溫下蒸發(fā)，在陰極沉積出碳納米管。這種方法的特點(diǎn)是簡

3、單快速，但產(chǎn)量不高，且碳納米管燒結(jié)成束，束中還存在很多碳球及非晶碳等雜質(zhì)口,41。激光蒸發(fā)法的原理就是利用激光蒸發(fā)石墨至相對的金屬石墨靶上來制備碳納米管。其一般工藝過程為，在1200。C的電阻爐中，由激光束蒸發(fā)石墨靶，流動的氮?dú)馐巩a(chǎn)物沉積到水冷卻的銅收集器上。這種方法易于進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備原因，限制了它的規(guī)模【5’6l化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管的原理是含有碳源的氣體(或蒸汽)流經(jīng)催化劑表面時分解、沉積，在催化劑作用下成核生成碳納米管。常用的碳源氣體有C6H6、C2H2、c2H4、CH4等；最初常用的催化劑有Fe、Co、

4、Ni等，后來在不含金屬的固電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文體酸催化劑上亦制備出碳納米管?；瘜W(xué)氣相沉積法制備碳納米管的特點(diǎn)是操作簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)，并且產(chǎn)率極高‘74】。1．2定向碳納米管的制備定向碳納米管的最初出現(xiàn)是為了滿足研究碳納米管性能的需要。由于電弧法和激光蒸發(fā)法合成的碳納米管分布雜亂，碳納米管之間燒結(jié)成束，相互纏繞而難以分散，這樣使得測量的各種物理和化學(xué)性質(zhì)的結(jié)果比較分散，在導(dǎo)電性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)方面的測量結(jié)果與理論估計值相差甚遠(yuǎn)。因此科學(xué)家們設(shè)計了多種方法制各定向碳納米管【”】。而且隨著定向碳納米管薄膜的合成及對其性能、應(yīng)用的

5、研究，定向碳納米管在場發(fā)射、電極材料、儲氫、傳感器等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值也逐漸展示出來。1．2．1切片法1994年，P．M．Ajiayan等人‘“1將利用電弧法合成的碳納米管均勻地分散在聚合物材料中，把該復(fù)合材料用刀切開，在外力的作用下，斷口表面上的碳納米管成定向排列。盡管通過這種方法獲得的碳納米管密度很低，方向并不完全一致隨切片厚度而變化，聚合物材料的性質(zhì)對碳納米管性能的測試有著很大的影響，但在定向碳納米管的性能研究方面邁出了第一步。1．2．2過濾法1995年，W．A．deHeer等人【121利用電弧法合成碳納米管，將碳納米

6、管研磨，采用超聲波將碳納米管粉末分散于光譜純的乙烯醇中，并采用離心的方法將大顆粒分離，利用0．2pm孔徑的陶瓷過濾器過濾，使碳納米管在過濾器上沉積下來。把塑料按壓在過濾器表面，碳納米管就被轉(zhuǎn)移到塑料上。這樣就獲得了垂直于基體的定向碳納米管陣列，并利用該陣列首次研究了碳納米管陣列的場發(fā)射效應(yīng)‘13]。1．2．3化學(xué)氣相沉積法通過上述兩種方法獲得的定向碳納米管，由于聚合物的作用以及雜質(zhì)的影響，不能很好地滿足性能研究的要求。特別是碳納米管的場效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后，要求能夠大面積地合成碳納米管陣列。同時小型場發(fā)射器的嘗試表明了定向碳納米管

7、的第一章引言優(yōu)越性以及潛在的應(yīng)用價值，對碳納米管陣列的更高要求迫使人們必須采用新的方法直接在基板材料上合成碳納米管陣列。在合成碳納米管的三類主要方法中，電弧法和激光蒸發(fā)法不可能獲得具有良好方向性碳納米管陣列，而化學(xué)氣相沉積法能很好地解決這一問題。采用化學(xué)氣相沉積法制各定向碳納米管，按照催化劑的引入方式通常分為預(yù)置催化劑法和浮動催化劑法。1．2．3．1預(yù)置催化劑法制備定向碳納米管[14】預(yù)置催化劑法就是在基板上預(yù)先沉積上一層催化劑，需要或不需要經(jīng)過特殊的后續(xù)處理，從而生長定向碳納米管。所用的基板一般有氧化鋁模板(anodica

8、luminumoxide，AAO模板)、多孔硅及二氧化硅和平基板。通常生長定向碳納米管的AAO模板有三種類型：1)A1自支撐，AAO形成在還沒有被全氧化完的鋁上；殘余的鋁可以直接作為電極，有利于后續(xù)處理中催化劑的電沉積。2)其它基板支撐的(硅比較常見)。將A1濺射在si基板上，再進(jìn)行陽極氧