定向碳纳米管、掺硼碳纳米管的ECR-CVD法制备与表征

摘要

碳纳米管(CNTs)由于其独特的结构和优异的电学、力学性能，已成为现代纳米结构和纳米器件的理想构筑单元。在许多应用领域，特别是场发射平板显示器和纳米电子器件，都需要制备出具有一定取向和图形化的碳纳米管有序阵列。 本文提出了一种制备定向生长碳纳米管的新方法。首次在未加基底偏压情况下，采用电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积方法(ECR-CVD)，以CH4和H2为气源、Fe3O4纳米粒子为催化剂，在多孔硅基底上制备出大面积定向生长的碳纳米管。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线能量色散分析(EDX)、X射线光电子谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)对样品形貌和结构进行了表征。结果显示：合成的碳纳米管为多壁碳管；垂直于基底生长，碳纳米管直径60～90nm，长度约10μm；碳纳米管采取催化剂底端生长模式。并对其定向机制进行了探讨。 通过改变实验参数，研究了气氛组成、气压、温度和反应时间对碳纳米管生长的影响。结果表明：气氛组成、气压和温度综合影响碳纳米管的形貌、生长速度和取向性，碳纳米管在一定时间后停止生长。本实验系统在CH4浓度50％、气压30Pa、温度650℃工况下实现了碳纳米管的最优定向生长。 系统研究了不同催化剂的催化效果和不同基底对碳纳米管生长方式和形貌的影响。分别以Fe3O4、Co纳米粒子及Fe(NO)3溶胶为催化剂在多孔硅基底上制备了碳纳米管；在多孔硅、Si(111)面和石英基底上以Fe3O4纳米粒子为催化剂实现了碳纳米管的生长。通过对样品的形貌、尺寸及结构的表征，讨论了催化剂和基底对碳纳米管形貌、密度和取向性的影响。结果表明：催化剂影响碳纳米管的成核密度和生长速度，基底通过影响催化剂的特性和分布均匀性，对碳纳米管的形貌和生长模式产生重要影响。 使用原子力显微镜(AFM)对碳纳米管的形貌进行了观测研究。利用ECR-CVD技术，以Fe3O4纳米粒子为催化剂，CH4、B2H6和H2为气源，在多孔硅基底上制备出了掺硼碳纳米管。研究了不同B2H6/CH4气体配比对碳纳米管生长特性的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子谱(XPS)对样品的形貌、结构及组份进行表征。结果表明：B2H6的通入对纳米管的生长具有较大影响。少量通入，就会破坏纳米管的定向生长，使纳米管变得弯曲；随着气氛组成中B2H6比例的增加导致纳米管的结构发生了变化，从中空结构转变为类竹节结构，同时多壁管外径增大，管壁增厚，表面变得粗糙，纳米管的生长速度降低；样品中的B/C原子比随着B2H6比例的增大而增大。 采用CH4/H2和CH4/B2H6/H2两种气源在连续的CVD过程中首次合成了一种新型的纳米管异质结构，其一端是竹节状的掺硼碳纳米管结构，另一端是光滑中空管的纯碳管结构，并对其形成机制进行了初步解释。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1碳纳米管的发现

1.2碳纳米管的晶体结构

1.3碳纳米管的特性及应用

1.4碳纳米管的制备及其发展方向

1.5掺硼碳纳米管

1.6本文主要内容

第二章实验系统和催化剂制备

2.1 ECR-CVD设备介绍

2.2纳米颗粒催化剂的获得

2.3实验基底的制备

2.4分析测试仪器简介

2.5本章小结

第三章定向生长碳纳米管的制备与表征

3.1引言

3.2定向碳纳米管的制备与表征

3.2.1定向碳纳米管的制备

3.2.2碳纳米管的表征

3.2.3结果与讨论

3.3碳纳米管生长和定向机制的探讨

3.3.1碳纳米管的生长机制

3.3.2碳纳米管的定向机制

3.4本章小结

第四章ECR-CVD法制备碳纳米管的影响因素

4.1引言

4.2不同参数控制下碳纳米管的生长特性

4.2.1气氛组成

4.2.2气压

4.2.3 温度

4.2.4反应时间

4.3催化剂对碳纳米管生长的影响

4.4基底对碳纳米管生长的影响

4.5本章小结

第五章掺硼碳纳米管与异质结构的制备与表征

5.1引言

5.2掺硼碳纳米管的制备与表征

5.2.1掺硼碳纳米管的形貌和结构

5.2.2成份及掺杂浓度的分析

5.2.3不同B2H6/CH4配比条件下生长规律的研究

5.3异质结构纳米管的制备与表征

5.3.1异质结构纳米管的制备

5.3.2异质结构纳米管的表征

5.4本章小结

第六章碳纳米管的AFM研究

6.1原子力显微镜简介

6.1.1工作原理

6.1.2操作模式

6.2碳纳米管的AFM观测

6.2.1实验样品的制备

6.2.2观测结果和讨论

6.3本章小结

结论

参考文献

致谢

发表论文

个人简历