碳纳米管生长机理及碳纳米线圈光电特性研究

摘要

碳纳米管是由石墨层卷曲而成的中空纳米管，随着直径的不同，碳纳米管可表现出金属性，半金属性和半导体性，这种性质使得了碳纳米管在半导体等领域具有广泛应用。目前，化学气相沉积法是可控生长碳纳米管的主要方法，由于其反应中包含复杂的气相反应和固相反应，所以化学气相沉积法生长碳纳米管的机理及参数最优化一直是人们研究的热点。在这方面，研究人员做许多了实验和模拟工作。但是，人们更多关注碳纳米管生长过程中的固相反应，而对化学气相沉积过程中的气相反应研究较少。
　　本论文的第二章中建立了局部加热化学气相沉积系统并定性地研究了乙炔气相反应对碳纳米管生长的影响。在此基础上，本章还建立了碳纳米管生长的计算流体力学模型，并分析了生长条件，催化剂颗粒及乙炔气相产物对碳纳米管生长的影响。
　　由于碳纳米线圈具有纳米尺度上的特殊形态，使其在纳米电子学，微纳机电系统中具有潜在应用。目前对碳纳米线圈的研究尚处于起步阶段，主要集中于碳纳米线圈的电学特性，力学特性以及磁学特性，但是并不系统完善。本论文从实验上研究了碳纳米线圈的导热特性，光学特性，并进一步研究了碳纳米线圈的电学特性与其结构上的关系。
　　论文第三章研究了场发射对碳纳米线圈结构的影响。由于焦耳热的作用，场发射之后的碳纳米线圈中的sp2晶粒尺寸有所增大且晶粒取向趋于一致。此外，本章还研究了激光处理后碳纳米线圈的场发射特性。激光处理导致的碳纳米线圈尖端曲率半径减小和碳纳米线圈表面非晶碳的去除提高了其场发射特性。
　　论文第四章通过单根碳纳米线圈场发射所引起的热辐射光谱研究了单根碳纳米线圈上的热传导。并且，通过制作悬空单根碳纳米线圈器件初步分析了碳纳米线圈的电阻率和温度的关系。在一维热传导模型的基础上，计算得到的碳纳米线圈热导率为38W/m·K。
　　论文第五章研究了悬空单根碳纳米线圈的电驱动热辐射光谱。悬空单根碳纳米线圈的黑体辐射光谱上叠加有发射峰。发射峰的出现是由于热激励高能电子向低能级跃迁所致。因此，在碳纳米线圈的费米能级附近至少存在四对能级。通过测量碳纳米线圈的光致发光谱，发现光致发光谱具有和电致发光谱类似的发射峰，这一结果也支持了文中对碳纳米线圈能带结构的推论。
　　论文第六章研究了单根碳纳米线圈的红外响应特性。当激光功率为90 mW时，碳纳米线圈电导变化率最大可达22％。碳纳米线圈器件的响应时间为5 ms左右。进一步的实验表明碳纳米线圈光响应的机理主要为热效应。随着电压增加，由于焦耳热的作用激光照射引起的碳纳米线圈电导变化率下降，但是响应率却随之增加，最大的响应率为0.22 A/W。
　　论文第七章利用四探针法研究了碳纳米线圈电学特性和其内部结构的关系。相比于未经退火的碳纳米线圈，经过高温退火后，碳纳米线圈的导电特性有明显的改善。但是，当退火温度高于1273 K时，结构变化对碳纳米线圈的室温电阻率变化影响较小。此外，本章还研究了各个退火温度下碳纳米线圈电阻随温度的变化并计算了碳纳米线圈的激活能，发现激活能随碳纳米线圈内晶粒的长大和晶粒间非晶成分的减少而快速降低。此外，在碳纳米线圈发生小形变的情况下，碳纳米线圈的电阻基本不发生变化。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 碳纳米管的结构

1．2 碳纳米管的制备方法

1．3 不同形态的碳纳米材料

1．4 碳纳米线圈的研究进展

1．4．1 碳纳米线圈的高效制备

1．4．2 小线径碳纳米线圈的制备

1．4．3 碳纳米线圈的成长机理

1．4．4 碳纳米线圈的电学特性及其应用

1．4．5 碳纳米线圈的力学特性及其应用

1．4．6 碳纳米线圈的磁学特性

1．4．7 碳纳米线圈的光学特性

1．5 选题思路及主要工作

2 模拟化学气相沉积法制备碳纳米管

2．1 前言

2．2 气相反应对碳纳米管生长的影响

2．2．1 实验方法

2．2．2 结果与讨论

2．2．3 气相反应模型的建立

2．3 化学气相沉积法制备碳纳米管模型的建立

2．3．1 碳纳米管生长的固相反应模型

2．3．2 反应几率γ值的推导

2．3．3 碳纳米管的几何模型与催化剂颗粒模型

2．3．4 几何模型、控制方程以及边界条件

2．3．5 结果与讨论

2．4 本章小结

3 单根碳纳米线圈场发射特性研究

3．1 前言

3．2 碳纳米线圈的大量制备以及单根碳纳米线圈的获取

3．3 场发射过程中的碳纳米线圈的结构变化

3．3．1 实验方法

3．3．2 结果与讨论

3．4 激光处理对碳纳米线圈场发射特性的影响

3．5 本章小结

4 单根碳纳米线圈热导率的测量

4．1 前言

4．2 实验方法

4．2．1 单根碳纳米线圈场发射光谱的测量方法

4．2．2 单根碳纳米线圈器件的制作

4．3 单根碳纳米线圈场发射光谱及其热导率的计算

4．4 本章小结

5 单根碳纳米线圈的热辐射光谱研究

5．1 前言

5．2 实验方法

5．3 单根碳纳米线圈光谱与机理讨论

5．4 本章小结

6 单根碳纳米线圈对近红外激光响应的研究

6．1 前言

6．2 单根碳纳米线圈红外响应测量方法

6．3 单根碳纳米线圈红外响应及其响应机理

6．4 本章小结

7 碳纳米线圈的电学特性和其内部结构关系

7．1 前言

7．2 四探针法测量高温退火碳纳米线圈的室温电导

7．2．1 实验方法

7．2．2 退火后碳纳米线圈透射电镜测试

7．2．3 碳纳米线圈电导率与退火温度的关系

7．3 碳纳米线圈电导随温度的变化

7．3．1 实验方法

7．3．2 结果与讨论

7．4 拉伸对碳纳米线圈导电特性的影响

7．4．1 实验方法

7．4．2 结果与讨论

7．5 本章小结

结论

参考文献

创新点摘要

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介