化学气相沉积法可控制备碳纳米管组装体

摘要

纳米组装体系综合了物质本征效应、纳米尺度效应、组合引起的新功能等特点而成为纳米材料研究领域的热点课题。碳纳米管有序结构体系的形成，有助于从宏观上展现其独特的电学、力学、热学等性能，在传感器、纳米电子器件等许多重要的领域发挥了独特的作用。本研究工作以二茂铁为催化剂前驱体，环己烷为碳源，采用改进的浮游催化化学气相沉积技术实现了碳纳米管的原位控制组装，得到了多种具有规则几何结构的碳纳米管组装体；利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Ramanspectra)等技术对纳米碳管组装体的形貌、结构进行了系统表征，探讨了碳纳米管的组装机制，并对组装体的浸润性能以及在电化学分析领域的应用进行了探索研究。主要研究结果如下： 1.采用二维模板法构筑系列具有三维规则几何形态的碳纳米管阵列结构。利用平版印刷技术设计不同类型的硅基图案，浮游催化化学气相沉积反应体系下实现了碳纳米管的选择性定点、定位生长，碳纳米管组装体系在二维空间上严格复制了SiO2基底的几何形状，制备得到了多种碳纳米管三维立体组装结构；研究了浮游催化反应条件下碳纳米管层层生长的基本特征；探索了以锌微晶为牺牲模板组装碳纳米管的新途径。 2.利用毛细管作用力耦合碳纳米管层层生长特征可控组装泡沫炭体系。以规则几何构型的定向碳纳米管为基体材料，通过液体润湿过程形成的毛细管作用力和碳纳米管之间的范德华力，获得了碳纳米管为基本单元的高密度泡沫炭材料；将毛细管作用力与层层生长技术顺序耦合，根据碳纳米管与不同基体之间结合力大小的差异，构筑了多种碳纳米管组装体系：探讨了毛细管作用力下碳纳米管的组装机制。 3.微通道内原位自组装构筑碳纳米管规则多面体结构。以微机械加工(MEMS)技术设计Au/SiO2基片并构筑可开启/封闭型微通道反应器，在微通道限域条件下观察到碳纳米管的奇异自组装现象，制备得到了微米尺度下具有规整多面体形貌的碳纳米管多级组装体系。碳纳米管组装体端部呈规整的多面锥状并具有贯通的中空结构，微通道内碳纳米管多面体生长进程显示其遵循底部生长机制。 4.弱氧化剂辅助碳纳米管原位自组装构筑炭微米管。采用改进浮游催化化学气相沉积技术，通过在碳纳米管的生长反应过程引入弱氧化剂(H2O或CO2)并调控催化剂浓度，在硅基底上获得了以碳纳米管为基本单元的微米尺度的管状结构，揭示了浮游催化体系下碳纳米管初级生长过程中的多级自组装特征。适量弱氧化剂的存在对去除无定形碳、保持催化剂活性起重要作用。 5.研究了碳纳米管组装体的浸润性能和电化学分析中作为电极材料的应用基础。研究发现，一定结构的碳纳米管组装体呈现超疏水性能，探讨了组装体的浸润性能与其缔构之间的关系：将碳纳米管的组装体作为电极材料，初步探索了应用于电化学检测识别多巴胺和半胱氨酸等生物分子的可能性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 碳纳米管结构和制备方法

1.2碳纳米管原位组装技术

1.3 碳纳米管合成后组装技术

1.4碳纳米管组装体的应用

1.5选题意义及研究内容

2实验部分

2.1实验材料及设备仪器

2.2实验方法

2.3表征和性能测试

3模板法构筑图案化碳纳米管阵列

3.1引言

3.2实验方法

3.3模板法构筑图案化碳纳米管阵列

3.4锌微晶牺牲模板法制备碳纳米管组装体

3.5本章小结

4毛细管作用力构筑泡沫状碳纳米管组装体

4.1 引言

4.2实验方法

4.3碳纳米管膜润湿工艺和规律

4.4毛细管作用力构筑泡沫状组装体的影响因素

4.5毛细管作用力耦合层层生长构筑碳纳米管组装体

4.6本章小结

5 微通道内原位自组装构筑碳纳米管多面体

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3碳纳米管多面体形貌表征和结构分析

5.4碳纳米管多面体构筑影响因素

5.5碳纳米管多面体生长机制

5.6本章小结

6弱氧化剂辅助碳纳米管原位自组装微米管

6.1 引言

6.2实验方法

6.3水辅助碳纳米管构筑微米管

6.4二氧化碳辅助碳纳米管构筑微米管状组装体

6.5碳纳米管自组装构筑微米管机理探索

6.6 CO2氧化刻蚀碳纳米管组装体

6.7本章小结

7碳纳米管组装体的性能和应用初探

7.1表面微结构控制的浸润性能研究

7.2碳纳米管组装体在电分析中的应用

7.3微/纳米材料自组装拓展研究

7.4本章小结

参考文献

结 论

创新点摘要

下一步工作

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

作者简介

附录