化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中金屬.doc

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1、化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中金屬—碳協(xié)同催化碳納米管生長的理論和實驗證據(jù)從理論和實驗角度研究了金屬—碳協(xié)同催化的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中碳納米管的成核和生長過程。結(jié)果表明：多壁碳納米管的成核和生長不僅受金屬的催化作用,碳核一旦形成也會促進碳納米管向軸向和徑向的生長.金屬催化劑顆粒僅僅在促進最內(nèi)層碳核的形成及生長,碳原子向有序的石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化有催化作用。多壁碳納米管和單壁碳納米管形成的本質(zhì)區(qū)別在于是否存在碳的自催化作用。碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)調(diào)控及場發(fā)射性能研究碳納米管具有獨特的電學(xué)、磁學(xué)性能,可以應(yīng)用到下一代分子電子器件中。碳納米管發(fā)射電子所需要的電場較低，是一種理想的

2、場發(fā)射陰極材料，可用于制備平面顯示器和納米晶體管；碳納米管有較大的比表面積,表現(xiàn)出獨特的表面效應(yīng)，可作為吸波材料、儲氫材料和催化劑載體；另外碳納米管具有優(yōu)良的力學(xué)性能,使其在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景?！　∫獙崿F(xiàn)碳納米管的應(yīng)用，必須解決碳納米管的結(jié)構(gòu)調(diào)控問題,因此本文主要研究了碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)調(diào)控及場發(fā)射性能.通過熱化學(xué)氣相沉積法制備了密度高，定向性好的碳納米管陣列，通過對比得到最佳實驗工藝參數(shù)；利用MEVVA離子源強流離子注入技術(shù)分別在碳納米管中注入Zn離子和Ag離子，通過SEM、HRTEM、XPS和場發(fā)射測量儀進行注入前后形貌、

3、化學(xué)態(tài)、場發(fā)射性能的表征和測量；并對碳納米管橫向懸空生長進行了初步的嘗試。　　化學(xué)氣相沉積法制備定向碳納米管陣列的最佳工藝參數(shù)為:Fe催化劑薄膜厚度5nm；左,右擾流裝置距樣品距離分別為11cm和23cm;氨氣刻蝕時間10分鐘；C2H2/H2流量為86/600ml/minute；反應(yīng)溫度750℃；反應(yīng)時間30分鐘?！　‰x子注入使碳納米管頂端由層狀石墨結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o定形結(jié)構(gòu)，直徑增大,由管狀變?yōu)榫€狀.注入后的Zn與碳原子固溶，注入后的Ag以納米顆粒形態(tài)鑲嵌在碳的無定形結(jié)構(gòu)中.較低劑量的Zn離子注入或Ag離子注入對碳米管陣列的場發(fā)射性能有改善，原始碳納米管

4、陣列的開啟電場和閾值電場分別為0．80V/μm和1．31V/μm，Zn離子注入后形成的復(fù)合C：Zn結(jié)構(gòu)能使場電子發(fā)射的開啟電場和閾值電場分別降低到0．66V/μm和1．04V/μm；Ag離子注入后形成的復(fù)合C：Ag結(jié)構(gòu)能使場電子發(fā)射的開啟電場和閾值電場分別降低到0．68V/μm和1．09V/μm。此變化是由于離子注入后形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的功函數(shù)較低:原始碳納米管陣列功函數(shù)為4．59eV，Zn離子注入和Ag離子注入后復(fù)合結(jié)構(gòu)最低有效功函數(shù)為4．04eV和4．23eV。較大劑量的Zn離子注入或Ag離子注入會造成碳米管陣列的場發(fā)射性能降低，這是由于大劑量的離

5、子注入使碳納米管頂端產(chǎn)生了嚴重的損傷，碳納米管頂端變粗并出現(xiàn)嚴重的變形和粘連，從而使碳納米管長徑比降低，導(dǎo)致場增強因子降低.　　在碳納米管的橫向生長過程中，較厚的催化劑薄膜厚度（120nm）和較短的生長時間（20分鐘)有利于碳納米管橫向懸空生長。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)美國杜克大學(xué)和中國北京大學(xué)科研人員日前成功制備出半導(dǎo)體型平行單壁碳納米管，從而首次實現(xiàn)了對碳納米管平行性和導(dǎo)電性的同時控制.美國最新一期《納米快報》（NanoLetters）雜志刊登了有關(guān)這一成果的論文。碳納米管韌性高、導(dǎo)電性強、場發(fā)射性能優(yōu)良，應(yīng)用前景廣闊，有“超級纖維"之稱

6、。根據(jù)導(dǎo)電性能的不同，碳納米管可分為金屬型和半導(dǎo)體型兩種。在合成過程中，兩種類型的碳納米管總是混雜在一起,大大限制了碳納米管在場效應(yīng)晶體管等方面的應(yīng)用，各國科學(xué)家都在為解決這一問題而努力。此外，如果可以提高碳納米管的表面生長密度及平行性，將會顯著增強碳納米管器件的性能，這也成為高碳納米管研究的重要課題。在2008年4月的研究中，杜克大學(xué)華裔科學(xué)家劉杰領(lǐng)導(dǎo)的科研小組曾制備出超高密度的平行單壁碳納米管，實現(xiàn)了對碳納米管平行性的控制。劉杰領(lǐng)導(dǎo)的科研小組此后與北京大學(xué)李彥領(lǐng)導(dǎo)的科研小組合作在該領(lǐng)域進行深入研究,他們利用甲醇和乙醇混合碳源,借助碳納米管和石英

7、單晶晶格的相互作用，成功在石英表面制備出含量為95%至98％的半導(dǎo)體型平行單壁碳納米管,從而首次實現(xiàn)了對碳納米管平行性和導(dǎo)電性的同時控制.基于此類碳納米管樣品產(chǎn)生的場效應(yīng)晶體管顯示出優(yōu)異的開關(guān)比性能。?論文的第一作者丁磊博士在接受新華社記者電話采訪時表示,此項技術(shù)解決了表面制備碳納米管的最困難也是最重要的一個問題,使得大規(guī)模制備半導(dǎo)體型平行碳納米管成為可能，這種碳納米管有望應(yīng)用于構(gòu)筑高性能場效應(yīng)晶體管和傳感器等。丁磊2007年畢業(yè)于北京大學(xué)，曾師從北大化學(xué)與分子工程學(xué)院李彥教授,目前在杜克大學(xué)化學(xué)系劉杰教授的課題組從事博士后研究。李彥與劉杰兩位教授

8、都從事碳納米管領(lǐng)域的研究工作，多年來在研究過程中的密切合作和優(yōu)勢互補使他們共同完成了多項研究成果。(來源：新華網(wǎng)任海軍)鎂